автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и применение алгоритмического обеспечения АСУТП автоклавного выщелачивания бокситов

На правах рукописи

УТЕШЕВ Константин Алексеевич

РАЗРАБОТКАИ ПРИМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУТП АВТОКЛАВНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ БОКСИТОВ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2005

Работа выполнена на кафедре "Автоматика и информационные технологии" ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ".

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

А.В. Цветков

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Б.Б. Зобнин

кандидат технических наук, доцент Р1.В. Логинова

Ведущая организация - ООО Ассоциация

"Уралпроектмонтажавтоматика" г. Екатеринбург

Защита состоится " 25 " февраля 2005 года в 15.00 часов в аудитории Р-217 на заседании диссертационного совета К.212.285.02 при ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ", по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира 32.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 620002, Екатеринбург, ул. Мира 19, ГОУ ВПО "УГТУ-УПИ", ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "УГТУ-УПИ". Автореферат разослан " 25 " января 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К.212.285.02, кандидат технических наук, доцент

В.А. Морозова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В настоящее время самым распространенным и эффективным способом промышленного производства глинозема является способ Байера, в котором процесс выщелачивания, т.е. процесс перевода содержащейся в сырье окиси алюминия в раствор под действием щелочи, является важнейшим по значению. В отечественном глиноземном производстве (ГП) способом Байера перерабатывают диаспоровые и бемитовые бокситы, разложение которых возможно только при высоких температурах в автоклавах.

Эффективность выщелачивания в значительной степени зависит не только от характеристик сырья и технологических растворов, но и от условий протекания самого процесса (в первую очередь - от температуры).

Разработкой автоматизированных систем управления (АСУ) и математических моделей для процессов выщелачивания занимались многие исследователи (Мальц Н.С., Левин М.В., Локшин Р.Г., Потапова Т.Б. и др.). Приведенные в литературе модели описывают кинетику выщелачивания или состав получаемых растворов. Однако такие модели в большинстве случаев слишком сложны и непригодны для целей оперативного управления. Вопросы же математического описания зависимости температуры выщелачивания от внешних факторов/возмущений исследованы недостаточно.

Существующие АСУ процессами автоклавного выщелачивания бокситов (АВБ) реализованы, как правило, в виде аналоговых локальных систем автоматического регулирования (САР), характеризующихся низким уровнем надежности и трудоемкостью настройки. Для регулирования температуры выщелачивания применяются комбинированные системы с упрощенным контуром компенсации измеряемых возмущений. Данные АСУ либо не учитывают ряда принципиальных технологических параметров, либо не обеспечивают стабилизацию расходов энергоносителей. И на практике оказывается, что они не удовлетворяют современным требованиям по показателям качества регулирования и не обеспечивают высокую эффективность переработки сырья.

Таким образом, разработка алгоритмического обеспечения АСУТП АВБ с учетом требований современного производства является актуальной задачей.

Цель работы. Целью работы является разработка структуры и алгоритмического обеспечения комплексной системы автоматизации технологических процессов АВБ для повышения эффективности управления ими на отечественных глиноземных производствах.

Задачи исследования. Исходя из цели работы, были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование технологических процессов АВБ на отечественных глиноземных производствах и анализ существующих моделей и АСУ.

2. Построение упрощенных математических моделей для изучения и формализации принципиальных закономерностей технологического процесса АВБ, разработки (синтеза) и исследования алгоритмов управления и оптимизации.

3. Разработка структуры и алгоритмического обеспечения многоуровневой

системы управления процессами АВБ с учетом особенностей и требований отечественных глиноземных производств.

4. Разработка и анализ методов самонастройки и адаптации построенных АСУ с учетом специфики систем промышленной автоматизации. Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлено методами технической и химической термодинамики, теории автоматического управления, системного анализа и математического моделирования.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработаны, исследованы и апробированы упрощенные динамические модели, описывающие контактный нагрев пульпы паром в процессе АВБ и устанавливающие зависимость температуры пульпы в греющих автоклавах батареи от внешних факторов возмущений, позволяющие проводить дальнейший анализ процессов АВБ, строить (синтезировать) и исследовать АСУ и оценивать значения некоторых технологических параметров, недоступных для непосредственного измерения.

2. Разработана и апробирована структура АСУ 111 АВБ в соответствии с современным многоуровневым иерархическим принципом. Разработаны и реализованы процедуры оптимизации технологического процесса, позволяющие обеспечить максимально возможную производительность, не приводящую к потере качества выщелачивания.

3. Обоснована возможность управления температурным режимом АВБ путем стабилизации температуры не в реакционном автоклаве, а в одном из греющих автоклавов батареи. Это позволило улучшить динамические характеристики объекта управления (ОУ) по каналу регулирующего воздействия за счет значительного снижения времени запаздывания.

4. Разработана, исследована и апробирована комбинированная система управления температурным режимом АВБ, сочетающая максимально полный учет всех измеряемых возмущений со стабилизацией расхода пара.

5. Разработан, обоснован и исследован косвенный метод самонастройки ПИ-регулятора на базе интегрального метода оценки параметров ОУ по переходной характеристике, учитывающий специфику систем промышленной автоматизации (отсутствие точных математических моделей, высокий уровень шумов и недопустимость значительных отклонений от заданных технологических режимов). Практическая ценность работы. Разработанные методы и системы

управления позволяют повысить эффективность технологического процесса АВБ, существенно улучшить показатели качества регулирования основных технологических параметров и дают значительный экономический эффект за счет снижения удельного расхода энергоносителей (пара) и повышения качества извлечения окиси алюминия из руды. Подана соответствующая заявка на изобретение (№2004105561).

Внедрение результатов. На основании результатов данной диссертационной работы построены и внедрены в промышленную эксплуатацию АСУТП на участках "Выщелачивание - 2" (5 автоклавных батарей), "Выщелачивание - 3" (4 автоклавные батареи) и "Выщелачивание -

4" (3 автоклавные батареи) Богословского алюминиевого завода ("БАЗ" филиал ОАО "СУАЛ", г. Краснотурьинск). Материалы диссертации включены в учебные курсы радиотехнического факультета ГОУ ВПО "УГТУ-УПИ".

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: V Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии и электроника" (Екатеринбург, 2000 г.); I, П, IV и V отчетных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО "УГТУ-УПИ" (Екатеринбург, 2001-2003 гг.); Всероссийской научной конференции "Управление и информационные технологии" УИТ 2003 (Санкт-Петербург, 2003 г.); Международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизации и управления в технических системах" (Пенза, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 61 наименования и 4 приложений. Содержит 210 страниц машинописного текста, включает 64 рисунка и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе исследуется технологический процесс, анализируются существующие математические модели и подходы к реализации АСУ АВБ.

Одним из основных показателей эффективности процессов АВБ является степень извлечения (или химический выход) окиси алюминия - Т|А120з. Потери

глинозема в присутствии кремнезема в руде (химические потери) неизбежны и вытекают из самой сущности способа Байера. Теоретическое (максимально возможное) извлечение рассчитывается по формуле

Л^о, =Ю0%(а1-а)/а1, 0)

где al - содержание А1гОз в боксите, [%]; si - содержание SiO2 в боксите, [%].

Наиболее существенный вклад в повышение эффективности процесса АВБ вносит оптимизация температурного режима, т.е. поддержание максимального значения температуры выщелачивания, не достигая температуры кипения пульпы при текущем давлении в автоклавах. Вскипание пульпы непосредственно в автоклавной батарее крайне негативно влияет на ход, безопасность и эффективность технологического процесса АВБ.

На отечественных глиноземных заводах применяются схожие решения с точки зрения аппаратурного оформления процессов АВБ (см. рис. 1).

Пульпа (смесь измельчённого боксита, оборотного раствора и извести) непрерывно подается в батарею последовательно соединенных автоклавов поршневым насосом. За счет изменения частоты работы насоса производится управление расходом пульпы, определяющим производительность батареи.

В первые два (греющие) автоклава подается пар высокого давления либо через верхние, либо через нижние крышки (т.е. возможен верхний и нижний подвод пара). Управление температурой пульпы осуществляется путём регулирования общего расхода греющего пара.

на сгущение

пар высокого давления

автоклавы

¿А _ Е) Л й

промывная вода

пульпа

поршневой V. V.

тталлл V V

сепараторы

Рис. 1. Обобщенная аппаратурная схема АВБ на заводах России

Затем пульпа проходит через все остальные (реакционные) автоклавы батареи и поступает в сепаратор первой ступени, в котором находится игольчатый клапан, позволяющий регулировать давление пульпы в батарее. В сепараторе второй ступени имеется клапан, с помощью которого регулируется уровень пульпы в сепараторе первой ступени. Из сепаратора второй ступени пульпа поступает на мешалки-агитаторы, в которых с помощью регулирования подачи промывной воды плотность пульпы доводится до требуемой величины.

Большинство исследователей описывают кинетику выщелачивания бокситов следующим образом:

ИТ 1

• X ■ ( А . _ — А I. I I =

Р

где Анис - равновесная концентрация А12О3 в растворе; А - текущая концентрация АЬ03 в растворе; р - толщина диффузионного слоя; Буд - удельная площадь поверхности; Б -коэффициент диффузии; Я - газовая постоянная; КА - число Авогадро; Т - температура выщелачивания (раствора); ё - диаметр частицы; ц - вязкость алюминатного раствора.

Величина Анас зависит от температуры раствора (пульпы) Т и концентрации N каустической щелочи и может быть представлена в виде

Анас = а0 + а, -Т + а2 -Ы, (3)

где ао, а1, а2 - коэффициенты регрессионного уравнения.

Вторая глава посвящена разработке математического описания контактного нагрева пульпы паром и зависимости температуры пульпы в греющих автоклавах батареи от внешних факторов/возмущений.

Разработка полного математического описания зависимости температуры пульпы в батарее от внешних факторов является чрезвычайно сложной задачей. Кроме того, полная модель, ввиду ее громоздкости и наличия ряда трудно оцениваемых величин, будет непригодна для целей оперативного управления. Поэтому в рамках данной работы построены упрощенные модели, учитывающие принципиальные закономерности технологического процесса АВБ, фундаментальные законы физики, химии и термодинамики.

Нагрев пульпы в батарее осуществляется за счет теплообмена с паром и теплоты, выделяющейся в процессе протекания реакции выщелачивания.

Рассмотрим упрощенную дискретную модель процессов поступления пара и пульпы в автоклавную батарею непрерывного действия. Через каждый промежуток времени (период дискретизации) & в батарею поступает (Д1 -О,^)

тонн пара и (Д1:-Оп) кубометров пульпы (где Ощр - расход пара, [т/ч]; Сп -

расход пульпы, [м3/ч]). Процесс нагрева данного фрагмента пульпы сопровождается его перемещением по автоклавам батареи. Значение температуры, зарегистрированное датчиком, определяется не только параметрами пара и пульпы, но и временем транспортного запаздывания между началом батареи (т.е. точкой, в которой начинается нагрев фрагмента пульпы) и точкой установки датчика. Таким образом, место установки датчика определяет, на какой точке (в какой момент времени) переходного процесса по температуре фрагмента пульпы осуществляется измерение температуры последнего.

Время перемещения фрагмента пульпы через один автоклав батареи зависит от текущего расхода пульпы. Предложена и подтверждена простая формула расчета значения

где в},00 - расход пульпы р а вООш3^ йг — время перемещения пульпы через один автоклав батареи при расходе пульпы

С учетом особенностей установки датчиков получены и подтверждены следующие формулы расчета времени транспортного запаздывания тп от начала батареи до точки измерения температуры пульпы в автоклаве п:

для батарей с верхним подводом пара: тп

п-тает,п = 1,2;

(5)

[0.5-(2п-1)-тает,п> 3;

для батарей с нижним подводом пара:

Основой для построения статической модели (7) контактного нагрева фрагмента пульпы объемом (Д1:-Оп) паром м а с с(Дй-©вхл я л и с ь первое и

второе начала термодинамики, уравнения теплового и массового балансов. При этом предполагалось, что механическая работа не совершается, и тепловые потери отсутствуют.

0пар -н^р +оп -(Рп-сп -т« +4 0з /юо%)-(^д)

грСТаТ __

СН,0 "°пар +Оп -Р^'Сп

(V)

■'Н20 "пар

где - температура фрагмента пульпы после окончания нагрева, - удельная

энтальпия пара на входе в батарею, [цЦж/т]; р„- плотность пул (Ъ^ыОп- теплоемкость пульпы, [кДж/(т- °С)]; Т™ -температура пульпы на входе в б а т а,ре]ю,-<м"а с с а (удельная)

окиси алюминия, введенной в батарею в составе боксита в единице объема пульпы, -

удельная теплота реакции выщелачивания, - теплоемкость конденсата,

Значение Н^ вычисляется с помощью аппроксимирующей формулы, составленной по справочным данным методом наименьших квадратов. Оценка

сделана по экспериментальным данным и подтверждена

величины

расчетом по теплотам образования реагентов и продуктов реакции АВБ.

Динамическая модель нагрева фрагмента пульпы строится на основе следующего выражения:

где Тп - температура фрагмента пульпы, [°С]; р1"41-- количество теплоты, отдаваемое паром в

процессе теплообмена, [кДж]; С?0' - количество теплоты, теряемое в процессе теплообмена с

окружающей средой, [кДж]; <3Р- количество теплоты, выделяющееся в процессе реакции выщелачивания, [кДж]; тпк - масса конденсата (пара, растворившегося во фрагменте пульпы), [т].

По закону Ньютона-Рихмана (предполагая, что плотность теплового потока во всех точках поверхности теплообмена постоянна) количество теплоты, отдаваемое паром в процессе теплообмена в единицу времени, пропорционально площади поверхности теплообмена и разнице значений температуры, при которой начинается конденсация пара (температуры кипения пульпы), и текущей температуры пульпы

<К2и,7А = а-СГ1-Т11)-Р,,ч\ (9)

где а - коэффициент теплоотдачи (при составлении модели принят постоянной величиной и определен на основе экспериментальных данных), 1кДж/(с-°С -м2)].

При составлении модели принято допущение, что площадь поверхности теплообмена пропорциональна массе пара (введенного с данным

фрагментом пульпы), еще не перешедшего в конденсат и участвующего в теплообмене. Расчет величины осуществляется с помощью

аппроксимирующей формулы, полученной методом наименьших квадратов на основе данных научно-технического центра БАЗ.

Масса пара тпк , перешедшего в конденсат, пропорциональна количеству теплоты, отданному паром в процессе теплообмена. Следовательно,

<Кк _ С1<ГР 1

А

А

(10)

(Н£р-С£0.Тп)

Аналогично выражению (9) описывается и процесс теплообмена фрагмента пульпы с окружающей средой:

Тос- температура окружающей среды, ГС]; - коэффициент теплоотдачи

где

(определен на основе экспериментальных данных), С-м )1; Р°с- площадь

поверхности теплообмена фрагмента пульпы с окружающей средой, [м2].

При составлении модели принято допущение, что значение пропорционально объему фрагмента пульпы.

Примечание. Учесть теплообмен с окружающей средой и при построении статической модели (7) не представляется возможным. В установившемся

режиме (при наличии теплообмена с окружающей средой) температура фрагмента пульпы будет равна температуре окружающей среды (т.к. после окончания процесса теплообмена пульпы с паром и завершения реакции выщелачивания фрагмент пульпы будет остывать до тех пор, пока его температура не станет равной температуре окружающей среды).

Исходя из физического смысла величины выражения для кинетики

выщелачивания бокситов (2) и предполагая, что величина пропорциональна количеству окиси алюминия, еще не перешедшей из боксита в раствор, получено следующее выражение:

где кр(Тп) - обобщенный коэффициент кинетики реакции выщелачивания, зависящий от температуры выщелачивания (т.е. температуры пульпы Тп), [м3/(т-с)]; Гд^- масса окиси алюминия, введенной в батарею в составе боксита в единице объема пульпы, [т/м3]; г.

раствор

масса раствора (жидкой фазы) в единице объема пульпы, [т/м3].

Коэффициент рассчитывается по аппроксимирующей формуле,

составленной по графикам протекания реакции выщелачивания при различных (фиксированных) температурах.

Модель контактного нагрева фрагмента пульпы паром в процессе АВБ, соответствующая выражению (8), представлена на рис. 2. Результаты моделирования хорошо согласуются с результатами промышленных экспериментов как для батареи с верхним, так и с нижним подводом пара. Переходные процессы, полученные при моделировании (с фиксированными параметрами пара и пульпы в рамках каждого эксперимента), соответствуют графикам, представленным на рис. 3. По результатам моделирования во всём возможном диапазоне параметров пара и пульпы, подаваемых в батареи на действующих участках АВБ БАЗ, даны некоторые рекомендации по ведению технологического процесса АВБ и сделаны следующие выводы.

1.

Максимум значения Тп приходится на третий-четвертый автоклав батареи.

л гр.авт

Температуру пульпы в греющих автоклавах батареи можно

рассчитать по следующей формуле с относительной погрешностью не более 0.83% во всём возможном диапазоне параметров пара и пульпы:

л гр.авт

_грстат д|рстат,гр.авт

1п - 1п а'•среднее

(13)

Разность (см. рис. 3) между значением и температурой пульпы

в греющем автоклаве зависит от параметров пара и пульпы. Среднее значение рассчитывается по аппроксимирующим формулам, полученным методом наименьших квадратов на основании результатов моделирования.

3. Аналогичным образом можно рассчитать и максимальную температуру пульпы в батарее (с относительной погрешностью не более 0.6%).

2

— ¿авт1 "пар -ч

Подача пара {. в автоклав 1

1 (Гт1 1 "пар

Подача пара ].т в автоклав 2 авт

^гар1 ~~ °™ошение расхода пара в первый автоклав к общему расходу пара; Р - давление пульпы в автоклавной батарее, [бар];

Тпар- температура пара на входе в батарею, [°С]; Рпар - давление пара на входе в батарею, [бар].

Рис. 2. Модель контактного нагрева фрагмента пульпы паром в процессе АВБ (батарея с верхним подводом пара)

Тп — температура фрагмента пульпы объемом А! Сп ), [°С], Гтц, - отношение массы пара, не перешедшего в конденсат, к массе пара, введенного с данным фрагментом пульпы, [%], ц -химическое извлечение, [%], 81-810 - расстояние от начала батареи до точки измерения температуры в автоклавах 1-10 соответственно

Рис 3 Графики переходных процессов, полученные при моделировании контактного нагрева фрагмента пульпы в батарее с верхним подводом пара

Измерение температуры пульпы в автоклавах осуществляется термометром сопротивления (ТСП), передаточная функция которого соответствует инерционному звену с постоянной времени Ттсп ~ 120 с.

Следовательно, динамическую модель, устанавливающую зависимость температуры пульпы в греющем автоклаве от параметров пара и пульпы на входе в батарею, можно представить в виде

гравт , Л гравт

Тп (р) =

1

или (во временной области)

ат^чо _ 1

Ттс„Р + 1

е_тр • Тп (р)

<Й

л гр авт

1ТСП

л гр авт

т„ о-т)- С(О

(14)

(15)

То (0 = f (спар (I), Рпар (I), Тцар (I), Р° (0, сп (I), О п (г), т;* (I)),

где ТЛР"ВТ(1)

температура пульпы в греющем автоклаве, [°С]; Тп (1) - значение температуры, рассчитываемое по формуле (13), [°С]; т - время запаздывания, вычисляемое по формулам (5) и (6) для верхнего и нижнего подвода пара соответственно, [с].

На рис. 4 представлена структура модели (14) в линеаризованном виде.

возмущения ^__.А.__

■1'ВХ

чхп

'пар

пар

к.»* Кт 1пар КР •мхар

♦ * ♦

I

в

пар ^ Кг

управляющее "пар

е~хр 1 ттр авт

/ * Ттс„Р + 1 ВЫХОД ОУ

воздействие

Рис. 4. Линеаризованная модель, устанавливающая зависимость

температуры пульпы в греющем автоклаве от параметров пара и пульпы

Расчет значений коэффициентов передачи по расходу пара (Кс ), по расходу пульпы по температуре пульпы на входе в батарею по

температуре пара и по давлению пара во всем возможном

диапазоне значений параметров пара и пульпы показал, что КСп е[-0.97;-0.57], КтВХ е[0.93;0.97], КТмр е[0.06;0.09], Кр^ е[-0.10;-0.04]. Таким образом, коэффициент передачи по каналу управляющего

^пар

воздействия может меняться незначительно (в пределах 20% от среднего значения). Максимальное значение Кд^ достигается при минимально

возможном расходе пульпы и максимально возможной температуре пара.

Таким образом, разработанные модели пригодны для дальнейшего анализа процессов в батарее, синтеза и исследования АСУ температурным режимом АВБ и оценки значений некоторых технологических параметров, недоступных для непосредственного измерения (например, химического выхода окиси алюминия в раствор к определенному моменту времени (или на выходе интересующего автоклава), максимальной температуры пульпы в батарее).

В третьей главе описывается разработанная в рамках работы структура (см. рис. 5) и алгоритмическое обеспечение системы управления процессами АВБ, базирующиеся на современном многоуровневом иерархическом принципе построения АСУТП (изложенном, в частности, в работах В.Г. Лисиенко, И.Н. Печориной и других авторов) и ориентированные на широкое применение цифровых управляющих вычислительных машин. При синтезе и исследовании системы управления широко использовались описанные выше модели.

В структуре АСУТП можно выделить два уровня. На первом (нижнем) уровне находятся локальные САР, обеспечивающие стабилизацию важнейших параметров технологического процесса АВБ. Второй уровень АСУТП позволяет в режиме реального времени осуществлять оптимизацию процесса АВБ за счет координированного формирования уставок на локальные САР первого уровня. При этом имеется возможность согласовывать работу АСУТП АВБ с вышестоящими (диспетчерскими) системами управления ГП.

В основу алгоритмического обеспечения локальных САР первого уровня АСУТП АВБ положены Пропорционально-Интегрально-Дифференциальные (ПИД) законы регулирования:

ипид« = кр •(ею+1/т1 • /Е(0Л+(-та)-ауг0)/А), (16)

где

Ш^) - уставка; ипидО) - выход регулятора; Е(!) - отклонение регулируемой величины; У(1) - выход ОУ; Кр - коэффициент пропорциональности; Т. - постоянная времени

интегрирования, [с]; Та - постоянная времени при дифференциальной части, [с]; N -параметр при дифференциальной части.

Выражение (16) в скобках содержит три слагаемых, первое из которых относится к пропорциональной части регулятора, второе - к интегральной части, третье - к дифференциальной (с фильтром первого порядка с постоянной времени Тй / ^, позволяющим уменьшить влияние высокочастотных шумов).

Интегральной составляющей регулятора соответствует передаточная функция '(р) = 1 /(Т • р), дифференциальной - "^р) = (-Тй • р)/(Та /• р +1).

Предложенная реализация ПИД-регулятора имеет следующие особенности (см. рис. 6): дифференциальная составляющая работает с сигналом выхода ОУ, что предотвращает изменение её значения при изменении уставки; введен задатчик интенсивности (ЗИ) и блок ограничения уставки 1; введена зона нечувствительности 3; предусмотрены ограничения выхода регулятора 6 и соответствующие им упоры интегратора, предотвращающие "забросы" последнего; предусмотрена возможность ручного управления ("ручной" режим) исполнительным механизмом (ИМ); обеспечен плавный (безударный) переход из "ручного" режима в автоматический и обратно.

- уставка плотности пульпы, [т/м3]; Н™ - уставка уровня пульпы в сепараторе, [м]; Рзал 0 - начальное значение уставки по давлению пульпы, [бар]; Рзад - уставка по давлению пульпы, [бар]; Р"™ ,Рмакс - ограничения на давление пульпы, [бар]; 0зад о _ начальное значение уставки по расходу пульпы, [м^ч]; О™ - уставка по расходу пульпы, [м^ч]; в™", й™0 -ограничения на Оп, [м3/^]; - выход регулятора расхода пара, [%]; и^, и^ид - ограничения на и^д, [%].

Рис. 5. Структура многоуровневой АСУТП АВБ

. Структурная схема 1шд-регулятора

Согласование ПИД-регулятора с ИМ постоянной скорости, широко применяемыми на участках АВБ в составе большинства АСУ, осуществлено с помощью специально разработанного модуля (ШИМ-регулятора).

Принцип работы ШИМ-регулятора (см. рис. 7) заключается в следующем. По модулю разности требуемого положения ИМ (т.е. выхода ПИД-регулятора Urmfl) и его фактического положения (UHM) на каждом цикле управления ТО определяется длительность импульса на ИМ, а по знаку разности (sign) -управляющая линия ("больше" или "меньше"). При этом учитываются скорость ИМ и ограничение на длительность импульса на текущем цикле

управления величиной ТО. Импульсы с рассчитанными таким образом параметрами реализуются преобразователем код - время импульса (ПКВИ).

Рис. 7. Структурная схема ШИМ-регулятора

Контуры регулирования расхода пульпы на батарею (см. рис. 8), давления пульпы в последнем автоклаве и уровня пульпы в сепараторе первой ступени (см. рис. 9) построены как одномерные контуры стабилизации соответствующих выходов объекта Шу на заданных уровнях (уставках).

Уставка -

-Ч ПИД-

» регулятор

пид

I'

ИМ

"I ии

ОУ

ип

I____1

Рис. 8. Структурная схема подсистемы регулирования расхода пульпы на батарею

Уставка

ПИД-регулятор

■Т1ИД

ШИМ-регулятор

"Больше"

"Меньше"

ИМ

-\Чм I"

L.___|

ОУ

"1 и0

Рис. 9. Структурная схема подсистем регулирования давления пульпы в последнем автоклаве батареи и уровня пульпы в сепараторе первой ступени Наиболее очевидным подходом к построению системы управления температурой выщелачивания является регулирование температуры пульпы в первом реакционном автоклаве, т.к. нагрев пульпы практически завершается именно в нем. Однако в этом случае динамические характеристики ОУ по

каналу управления являются крайне неблагоприятными, т.к. имеет место существенное транспортное запаздывание. Регулирование температуры пульпы непосредственно в греющем автоклаве батареи позволяет значительно (более чем в 1.5 раза) уменьшить время транспортного запаздывания.

К подсистеме управления температурой выщелачивания предъявляются жесткие требования по величине перерегулирования (т.к. даже небольшое перерегулирование может привести к вскипанию пульпы). Таким образом, подсистема регулирования температуры должна обеспечивать минимальное время регулирования при нулевой статической ошибке и перерегулировании не более 5% от величины допустимого диапазона температур.

В связи с тем, что на этапе исследования технологического процесса и моделирования было изучено влияние некоторых измеряемых возмущений на температуру пульпы в греющем автоклаве и выявлена зависимость расхода пара от ряда возмущений, имеющих место в технологическом процессе, САР температуры пульпы построена как комбинированная система (система с программной составляющей) с вложенным контуром стабилизации расхода пара. Программная составляющая уставки расхода греющего пара О ¡^^вычисляется

по формуле (17), выведенной на основе статической модели (7).

Компенсация отклонения модели от реальной характеристики объекта осуществляется с помощью ПИ-регулятора температуры, выход которого формируется в зависимости от ошибки стабилизации температуры пульпы и учитывается в уставке контура стабилизации расхода пара. Специально разработанный механизм блокировки работы ГШ-регулятора температуры после смены уставки и ухода исполнительного механизма с упора (после отсутствия запаса по регулированию) позволил избежать существенного перерегулирования по температуре в данных ситуациях.

Примечание. Аналогичным образом реализована и подсистема регулирования плотности пульпы после выщелачивания.

Упрощенная структурная схема подсистемы регулирования температуры пульпы в греющем автоклаве с линеаризованной моделью ОУ (см. рис. 4) приведена на рис. 10. При моделировании принято, что расход греющего пара пропорционален величине открытия паровой заслонки (т.е. положению ИМ) и разности давления греющего пара Рпар и давления в батарее Р. Значение коэффициента передачи паровой заслонки К считается величиной постоянной и определяется на основании экспериментальных данных.

Примечание. Настройку регулятора температуры следует проводить при минимально возможном расходе пульпы, так как это соответствует наихудшей ситуации с точки зрения запаса устойчивости. Действительно, при минимально возможном расходе пульпы имеет место максимальное время транспортного запаздывания (см. выражения (4)-(6)) и максимум коэффициента передачи по каналу регулирующего воздействия (по расходу греющего пара).

- задание (уставка) по температуре пульпы в греющем автоклаве, [°С]; Т^1™1 - температура пульпы в греющем автоклаве, [°С]; - выход ПИ-регулятора температуры, [т/ч]; О^111 - программная составляющая уставки расхода пара, [т/ч]; - уставка по расходу пара, [т/ч]; К- коэффициент передачи паровой заслонки, [т/(ч-%-бар)]; Р -давление в батарее, [бар].

Рис. 10. Упрощенная структура подсистемы регулирования температуры пульпы в греющем автоклаве батареи (с линеаризованной моделью объекта управления)

Графики переходных процессов (перерегулирование практически отсутствует), полученные при моделировании с динамической моделью (14) в качестве объекта управления, при несоответствии характеристик ОУ и модели, изменении измеряемых возмущений и наличии интервала времени с отсутствием запаса по регулированию расхода пара приведены на рис. 11

I - уставка температуры пульпы, [°С], 2 - температура пульпы в греющем автоклаве, [°С],

3 - выход ПИД-регулятора расхода пара, [%], 4 - положение ИМ (паровой заслонки), [%], 5 -требуемое значение расхода пара, [т/ч], 6 - расход пара, [т/ч], 7 - выход ПИ-регулятора температуры (коррекция уставки расхода пара), [0 01 т/ч], 8 - температура пара на входе в батарею, [°С], 9 - температура пульпы на входе в батарею, [°С], 10 - расход пульпы, [м3/ч],

II - давление пара в паропроводе [0 1бар]

Рис. 11 Графики переходных процессов в подсистеме регулирования температуры пульпы при изменении различных параметров процесса АВБ Работа второго уровня АСУТП АВБ (см. рис. 5) осуществляется с учетом ограничений на основные технологические параметры, задаваемых вышестоящими системами управления ГП, либо операторами.

Требуемое значение плотности пульпы определяется вышестоящими (по отношению к АСУТП АВБ) системами управления и передается на локальную САР плотности пульпы без изменения. Аналогичным образом ведется работа и в случае уставки по уровню пульпы в сепараторе первой ступени.

Значение Т^ рассчитывается, исходя из результатов моделирования, с целью обеспечения такой максимальной температуры пульпы в батарее при которой не возникает кипение пульпы при текущем давлении в батарее

Рассчитанное значение Т^ может передаваться непосредственно на локальную САР температуры пульпы, либо только отображаться оператору в

качестве рекомендуемого значения уставки (в режиме "советчика" оператора).

Показано, что максимальная производительность батареи в текущих технологических условиях без потери качества выщелачивания обеспечивается, если выход регулятора расхода пара находится вблизи максимально

допустимого положения в диапазоне [и^д^^вд] (это соответствует максимальному расходу пульпы, при котором текущий расход пара равен требуемому для нагрева пульпы до заданной оптимальной температуры). Выполнение данного условия обеспечивается путем изменения уставки по расходу пульпы (с учетом диапазона

Если расход пульпы уже равен минимально допустимому, но требуемый расход пара не обеспечивается даже при максимально открытой заслонке подачи пара, то производится корректировка уставки по давлению пульпы в батарее (с учетом диапазона допустимых значений т.к.

расход пара пропорционален разнице давлений в паропроводе и в батарее.

Корректировка значения проводится только при условии, что

Рзад=Ршхс. Это, с одной стороны, позволяет проводить выщелачивание при максимально высокой температуре, а с другой стороны - предотвращает одновременное изменение уставок и по расходу пульпы, и по давлению пульпы, что могло бы привести к взаимному влиянию данных подсистем друг на друга и возникновению автоколебаний по значениям уставок.

На рис. 12 представлены графики переходных процессов в процессе работы второго уровня АСУТП при наличии возмущений по давлению пара в паропроводе. Видно, что возмущение успешно отрабатывается, и статическая ошибка по температуре не возникает. При отсутствии второго уровня АСУТП (см. рис. 11) в течение всего времени действия возмущения имеет место статическая ошибка, причем величина этой ошибки определяется интенсивностью возмущения. Таким образом, работа второго уровня АСУТП в данных ситуациях обеспечит повышение реальной температуры выщелачивания и, следовательно, эффективности процессов АВБ.

Диссертантом была выполнена и внедрена в эксплуатацию на Богословском алюминиевом заводе программная реализация описанных алгоритмов управления 1-го уровня АСУТП АВБ. Явления и зависимости, которые были выявлены и отражены на этапе моделирования (см., например, рис. 11), имеют место и в процессе промышленной эксплуатации разработанных систем регулирования.

По результатам многомесячной промышленной эксплуатации 1-го уровня разработанной АСУТП на батареях АВБ (как с верхним, так и с нижним подводом пара) следует отметить, что улучшилось качество процессов регулирования по сравнению с ранее применявшимися АСУ (перерегулирование по температуре пульпы при отработке изменения уставки практически отсутствует; максимальное отклонение температуры пульпы от заданного значения в процессе компенсации возмущений не превосходит 2-3°С на уровне 225 °С). Это позволило увеличить среднее значение уставки по температуре и, следовательно, обеспечило повышение эффективности процессов выщелачивания.

1 - уставка температуры, [°С], 2 - температура пульпы, [°С], 3 - выход регулятора расхода пара, [%], 4 - положение ИМ, [%], 5 - требуемый расхода пара, [т/ч], 6 - расход пара, [т/ч], 7 - давление пара, [0 1 бар], 8 - давление в батарее, [0 1 бар], 9 - расход пульпы, [м3/ч]

Рис 12 Графики переходных процессов при работе второго уровня АСУТП В четвертой главе описывается разработанный косвенный метод самонастройки ПИ-регуляторов, используемых в составе АСУТП АВБ, основанный на интегральной оценке параметров апериодических ОУ с самовыравниванием (по переходной характеристике) и на представлении последних в виде "эквивалентных" объектов первого порядка с запаздыванием

Простейшим методом определения параметров ОУ первого порядка с запаздыванием является метод оценки постоянной времени (тЛ) и времени запаздывания (тоб) по переходной характеристике путем проведения к ней касательной Однако данный метод является чувствительным к высокочастотным шумам Более точную оценку параметров ОУ дает интегральный метод, описанный в работе К.Острема, состоящий в следующем (см рис. 13)

1 Определяется величина статического передаточного коэффициента - Коб • 2. Вычисляется площадь АО, после чего определяется значение ¡[х^ +ТпК)-

^об+Тоб=(А0/КоЬ) (18)

3 Вычисляется площадь А1 и определяется значение тЛ:

Т,* =е (А1/КоЬ) (19)

Для переходной характеристики инерционного звена с запаздыванием формулы (18) и (19) достаточно просто проверяются аналитически

Моделированием показано, что алгоритм интегральной оценки применим не только для оценки параметров ОУ с незашумленным полезным сигналом, но

и при наличии шумов. При амплитуде шума до 20% от амплитуды ступенчатого входного воздействия интегральная погрешность оценки параметров объекта F, пренебрежимо мала =0.0013). С увеличением амплитуды шума работоспособность метода сохраняется, но погрешность определения параметров ОУ возрастает (например, при амплитуде шума 50% от амплитуды ступенчатого входного воздействия Fj ~ 0.0062).

(тов+Тов) I

Рис. 13. Пояснение интегрального метода оценки параметров ОУ

В рамках работы рассмотрена возможность аппроксимации апериодического объекта второго порядка с запаздыванием оператором объекта первого порядка с запаздыванием (т.е. "эквивалентным" объектом первого порядка), параметры которого вычисляются с помощью интегрального метода по переходной характеристике исходного объекта второго порядка. Показано, что в этом случае метод интегральной оценки применим не только для объектов первого порядка, но и для объектов второго порядка с запаздыванием.

Аналитически показано, что интегральная погрешность F2 оценки параметров апериодического ОУ второго порядка с постоянными времени ТоЫ

и Т

оЬ2 линейно зависит от величины постоянной времени

То61, зависит от

соотношения (ТоЬ2/ТоЫ) и не зависит от времени запаздывания объекта второго порядка. Доказано, что точка максимума интегральной погрешности F2 зависит только от соотношения и достигается при (ТоЬ2 /ТоЬ])=1.45.

Значение максимальной интегральной погрешности оценки параметров объекта второго порядка при отсутствии шумов равно F2MaKC=0.00487 • ^^

Доказано утверждение, что при определении параметров "эквивалентного" объекта первого порядка методом интегральной оценки, сумма постоянных времени и времени запаздывания апериодического объекта второго порядка равна сумме постоянной времени и времени запаздывания "эквивалентного" объекта первого порядка. Кроме того, выведены формулы расчета параметров "эквивалентного" объекта первого порядка по известным параметрам апериодического объекта второго порядка.

По найденным интегральным оценкам параметров "эквивалентного" объекта первого порядка с запаздыванием проработаны рекомендуемые

варианты выбора параметров ПИ-регулятора. Наилучшим вариантом выбора параметров регулятора (при условии, что должно быть обеспечено минимальное время регулирования ^ при нулевой статической ошибке и

перерегулировании а не более 5%) был признан вариант из работы Е.К. Круг:

Т<Лъ Кр

[0; 0.1] Кр = (0.4-ТоЬ)/(КоЬ ■ тоЪ), где тоЬ=0.1.ТоЬ Т,=0.9б-Тл

[0.1; 2] Кр=(0.4-ТоЬ)/(КоЬ-тоЬ)

[2; 6] Кр =(0.156 ТоЬ)/(КоЬ •тоЬ) + 0.122/КоЬ т; = 0.57 -ТоЬ + 0.195 -тоЬ

[6; Ю] Кр= 0.148/К0„ Т,= 0.27-ТоЬ+0.245-тоЬ

Для данного варианта показано, что изменение величины (тоЬ/ТоЬ) и наличие погрешностей оценки параметров объекта первого порядка (при значении интегральной погрешности Fj вплоть до 0.0062) практически не сказываются на качестве переходных процессов в замкнутой системе.

Следовательно, для получения желаемых показателей качества регулирования в замкнутой системе (при расчете параметров регулятора на основе полученных интегральных оценок параметров объекта) высокая точность идентификации объекта не требуется. Показано, что выбранный вариант настройки ПИ-регулятора обеспечивает требуемые показатели качества регулирования и при работе с объектами более высокого (в данном случае - второго) порядка при условии расчета коэффициентов регулятора на основе параметров "эквивалентного" объекта первого порядка.

Таким образом, разработанный метод самонастройки ПИ-регулятора применим при работе с широким кругом промышленных апериодических объектов управления (с самовыравниванием) при рассмотрении последних в виде "эквивалентных" объектов первого порядка с запаздыванием.

Результатами промышленных испытаний подтверждено, что предложенная методика самонастройки систем управления, построенных на базе ПИ-регуляторов, позволяет улучшить показатели качества регулирования (в частности, время регулирования сократилось примерно в три раза, а перерегулирование практически не изменилось).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработаны, исследованы и апробированы упрощенные динамические модели, описывающие контактный нагрев пульпы паром в процессе АВБ и устанавливающие зависимость температуры пульпы в греющих автоклавах батареи от внешних факторов/возмущений, позволяющие проводить дальнейший анализ процессов АВБ, строить/исследовать АСУ и оценивать значения некоторых технологических параметров, недоступных для измерения.

2. Разработана АСУ технологическим процессом АВБ, при этом:

• система управления базируется на современном многоуровневом иерархическом принципе построения АСУТП и ориентирована на широкое применение цифровых управляющих вычислительных машин;

имеется возможность согласовывать работу АСУТП автоклавного выщелачивания бокситов с вышестоящими системами управления ГП;

• разработаны и реализованы процедуры оптимизации технологического процесса (обеспечивается максимально возможная в данных технологических условиях производительность батареи, не приводящая к потере качества выщелачивания);

• обоснована возможность управления температурным режимом АВБ путем стабилизации температуры пульпы не в реакционном автоклаве, а в одном из греющих автоклавов батареи, что позволило существенно улучшить динамические характеристики данного ОУ по каналу регулирующего воздействия за счет значительного снижения времени транспортного запаздывания;

• впервые при построении АСУ температурным режимом АВБ применен подход, сочетающий максимально полный учет (в программной составляющей уставки расхода пара) измеряемых возмущений, имеющих место в технологическом процессе, со стабилизацией расхода пара; впервые аналогичным образом реализована и подсистема регулирования плотности пульпы после выщелачивания;

• специально разработан и обоснован механизм блокировки работы регулятора в замкнутой части комбинированной системы управления после смены уставки и ухода исполнительного механизма с упора (после отсутствия запаса по регулированию), позволяющий избежать существенного перерегулирования в данных ситуациях;

• разработан универсальный блок согласования ПИД-регулятора с ИМ постоянной скорости - ШИМ-регулятор.

3. Разработан, обоснован и исследован косвенный метод самонастройки ПИ-регуляторов, основанный на интегральной оценке параметров апериодического ОУ по переходной характеристике и учитывающий специфику систем промышленной автоматизации. Выведены формулы расчета параметров "эквивалентного" объекта первого порядка по известным параметрам апериодического объекта второго порядка.

4. Даны рекомендации по ведению технологического процесса АВБ, по выбору значения уставки в подсистеме регулирования температуры пульпы в греющем автоклаве, по настройке ПИД- и ШИМ-регуляторов.

5. Разработанные модели, системы управления и методика их самонастройки применимы как для технологических процессов АВБ, так и, частично, для широкого круга промышленных ОУ.

6. Достигнута основная практическая цель работы — за счет разработки и внедрения нового алгоритмического обеспечения системы управления процессами АВБ удалось повысить их эффективность (уменьшился удельный расход пара высокого давления, не менее чем на 0.5% возросло химическое извлечение окиси алюминия из боксита (что соответствует примерно 4000 тонн глинозема в год), количество отклонений по химическому извлечению снизилось с 26.6% до 16.6%).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Утешев К.А. Разработка прикладного ПО "нижнего" уровня ПТК для АСУТП участка "Выщелачивание - 2" Богословского алюминиевого завода // Тезисы докладов Пятой Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии и электроника". - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001.-С. 62-63.

2. Андрианов С.А., Пастухов С.Н., Страшинин Е.Э., Утешев К.А. Программно-технический комплекс АСУТП участка "Выщелачивание - 2" Богословского алюминиевого завода // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2001, №6. - С. 1 -6.

3. Утешев К.А., Цветков А.В. Разработка алгоритмического и прикладного программного обеспечения "нижнего" уровня программно-технического комплекса для АСУТП участка "Выщелачивание - 2" Богословского алюминиевого завода // Научные труды I отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. - С. 92-93.

4. Утешев К.А., Цветков А.В. Принципы организации автоматической настройки систем автоматического управления технологическими процессами // Научные труды П отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ. -Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002. - С. 340.

5. Утешев К.А., Страшинин Е.Э. Разработка алгоритмического обеспечения задач автоматического управления технологическим процессом автоклавного выщелачивания боксита // Сборник докладов Всероссийской научной конференции "Управление и информационные технологии" УИТ 2003. - Санкт-Петербург, 2003.

6. Утешев К.А., Цветков А.В. Выбор параметров ПИД-регуляторов при автоматической настройке систем промышленной автоматизации // Научные труды IV отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ. -Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2003. - С. 176-177.

7. Утешев К.А., Цветков А.В. Разработка алгоритмического обеспечения задач автоматического управления технологическим процессом на участке "Выщелачивание - 2" Богословского алюминиевого завода // Новые методы передачи и обработки информации: сб. результатов научных исследований сотрудников радиотехнического факультета ГОУ УГТУ-УПИ. — Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2003. - С. 262-270.

8. Утешев К.А. Страшинин Е.Э. Построение подсистемы регулирования температуры автоклавного выщелачивания бокситов // Труды Международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизации и управления в технических системах". - Пенза: 111 У, 2004. - С. 34-37.

9. Страшинин Е.Э., Утешев КА., Андреев Д.В. Метод интегральной оценки параметров объекта в системах промышленной автоматизации // Промышленные АСУ и контроллеры-2004, №6. - С. 22-26.

Ю.Страшинин Е.Э., Утешев К.А., Андреев Д.В. Построение адаптивного ПИ-регулятора на основе интегрального метода оценки параметров объекта // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2004, №8. - С. 34-37.

Ризография НИЧ ГОУ ВПО УГТУ-УПИ

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

255

Введение.

1. Исследование технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов.

1.1. Общие вопросы производства глинозема.

1.2. Автоклавное выщелачивание бокситов.

• 1.3. Аппаратурно-технологическая схема автоклавного выщелачивания боксита.

1.3.1 Периодическое и непрерывное выщелачивание бокситов.

1.3.2 Схема непрерывного выщелачивания бокситов в автоклавах.

1.3.3 Автоклавы, подогреватели, сепараторы, игольчатые регуляторы.

1.3.4 Особенности низовой автоматики технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов.

1.4. Подходы к математическому описанию и автоматизации технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов.

1.5. Выводы по первой главе и постановка задачи исследования.

2. Математическое моделирование процессов контактного нагрева пульпы паром высокого давления при выщелачивании бокситов.

2.1. Основные закономерности технологического процесса и общие принципы построения математической модели.

2.2. Статическая модель контактного нагрева пульпы паром высокого давления в процессе выщелачивания бокситов.

I 2.3. Динамическая модель контактного нагрева пульпы паром высокого давления в процессе выщелачивания бокситов.

2.3.1 Автоклавная батарея с верхним подводом пара.

2.3.2 Автоклавная батарея с нижним подводом пара.

2.4. Расчет удельной теплоты реакции выщелачивания.

2.5. Динамическая модель, устанавливающая зависимость температуры пульпы в греющих автоклавах батареи от внешних факторов/возмущений.

2.5.1 Автоклавная батарея с верхним подводом пара.

2.5.2 Автоклавная батарея с нижним подводом пара.

2.6. Выводы по второй главе.

3. Построение многоуровневой АСУ ТП автоклавного выщелачивания бокситов.

3.1. Подсистемы регулирования расхода пульпы на батарею, давления пульпы в последнем автоклаве батареи и уровня пульпы в сепараторе первой ступени.

3.2. Подсистема регулирования температуры выщелачивания бокситов в автоклавной батарее непрерывного действия.

3.3. Подсистема регулирования плотности пульпы.

3.4. Алгоритмическое обеспечение автоматизированного управляющего контура (второго уровня АСУТП).

3.5. Базовое алгоритмическое обеспечение подсистем регулирования первого уровня АСУТП.

3.5.1 ПИД-регулятор.

3.5.2 ШИМ-регулятор.

3.6. Выводы по третьей главе.

4. Реализация функций самонастройки и адаптации к объекту управления.

4.1. Интегральная оценка параметров объекта управления по переходной характеристике разомкнутой системы.

4.1.1 Идея метода интегральной оценки параметров объекта.

4.1.2 Метод интегральной оценки параметров применительно к объекту первого порядка с запаздыванием. Моделирование.

4.1.3 Метод интегральной оценки параметров применительно к объекту второго порядка с запаздыванием. Моделирование.

4.2. Определение параметров ПИ-регулятора.

4.2.1 Требования к показателям качества регулирования.

4.2.2 Варианты выбора параметров ПИ-регулятора.

4.2.3 Влияние величины отношения времени запаздывания к постоянной времени объекта на качество переходных процессов.

4.2.4 Влияние погрешности оценки параметров объекта на качество переходных процессов

4.2.5 Работа с объектом более высокого (второго) порядка.

4.3. Практическое применение предложенного метода самонастройки ПИ-регулятора в подсистеме регулирования расхода промывной воды.

4.3.1 Описание процедуры самонастройки.

4.3.2 Результаты опытно-промышленной эксплуатации.

4.4. Выводы по четвертой главе.

В настоящее время самым распространенным и эффективным способом промышленного производства глинозема является гидрохимический способ Байера, применяемый как чистом виде, так и в сочетании со способом спекания в параллельном или последовательном варианте. При всем многообразии технологических операций в цикле Байера процесс выщелачивания, т.е. процесс перевода содержащейся в сырье окиси алюминия в раствор под действием щелочи, является центральным по значению и в значительной степени определяет технико-экономические показатели всего комплекса гидрохимических переделов получения глинозема.

В отечественной практике производства глинозема способом Байера перерабатывают главным образом диаспоровые и бемитовые бокситы, разложение которых возможно только при высоких температурах выщелачивания в автоклавах.

Эффективность выщелачивания в значительной степени зависит не только от характеристик сырья и технологических растворов, но и от условий протекания самого процесса (в первую очередь - от температуры выщелачивания). Поэтому одной из основных задач управления процессом выщелачивания является стабилизация режимных параметров на уровне, обеспечивающем оптимальность условий для протекания основных химических взаимодействий.

Разработкой автоматизированных систем управления (АСУ) и математических моделей для процессов выщелачивания (в том числе и с целью применения их в АСУ) занимались многие исследователи (Мальц Н.С., Бабицкий Я.С., Буровой И.А., Богданов А.В., Левин М.В., Локшин Р.Г., Потапова Т.Б. и др.). Приведенные в литературных источниках модели направлены на установление зависимостей кинетики выщелачивания и химического состава получаемых растворов от внешних условий, подтверждающих, в частности, что повышение температуры является важнейшим фактором ускорения реакции выщелачивания. Однако такие модели в большинстве случаев оказываются слишком сложными и непригодными для целей оперативного управления и непосредственного использования при создании АСУ (т.к. требуют, во-первых, априорного знания численных значений многих коэффициентов, зависящих от условий самого процесса выщелачивания и не являющихся в строгом смысле константами, и, во-вторых, определения текущего химического состава растворов, осуществляемого, как правило, на основе ручного лабораторного анализа с большим запаздыванием). Вопросы же математического описания зависимости температуры выщелачивания от внешних факторов/возмущений исследованы недостаточно.

Как правило, регулирование основных технологических параметров процесса выщелачивания осуществляется с помощью локальных одномерных систем автоматического регулирования (САР), построенных на базе Пропорционально-Интегрально-Дифференциальных (ПИД) регуляторов. В некоторых случаях применяются комбинированные системы с упрощенным контуром компенсации измеряемых возмущений. Данные АСУ либо не учитывают ряда принципиальных технологических параметров, либо не обеспечивают стабилизацию расходов энергоносителей и реализованы, как правило, в виде устаревших аналоговых регуляторов, характеризующихся низким уровнем надежности и трудоемкостью настройки. И на практике оказывается, что существующие АСУ процессами выщелачивания не удовлетворяют современным требованиям по основным показателям качества регулирования и не обеспечивают высокую эффективность переработки сырья.

Исходя из вышеизложенного, можно констатировать, что разработка моделей и алгоритмического обеспечения современных АСУ для технологических процессов автоклавного выщелачивания бокситов (АВБ) с учетом специфики и требований реального промышленного производства является актуальной задачей. При этом целесообразно разработать и применить структуру АСУ в соответствии с многоуровневым иерархическим принципом.

Многоуровневый иерархический принцип построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), изложенный, в частности, в работах В.Г. Лисиенко, И.Н. Печориной и других авторов, соответствует современному подходу к построению АСУТП, согласуется с возможностями современных цифровых устройств контроля и управления и имеет целый ряд преимуществ по сравнению с разрозненными локальными САР: обеспечивает широкие возможности по оптимизации сложных многосвязных технологических процессов; позволяет относительно просто использовать современный алгоритмический аппарат (например, экспертные системы); упрощает дальнейшее развитие и модернизацию АСУ на этапе эксплуатации и т.д.

Объект исследования — технологические процессы автоклавного выщелачивания бокситов на отечественных глиноземных производствах.

Предмет исследования — математическое описание зависимостей основных режимных параметров автоклавного выщелачивания от внешних факторов/возмущений, многоуровневая структура и алгоритмическое обеспечение АСУ технологическими процессами автоклавного выщелачивания бокситов.

Таким образом, целью диссертационной работы является разработка структуры и алгоритмического обеспечения комплексной системы автоматизации технологических процессов автоклавного выщелачивания бокситов для повышения эффективности управления ими на отечественных глиноземных производствах.

Исходя из цели работы, были поставлены и решены следующие основные задачи исследования:

4.4. Выводы по четвертой главе

В данной главе рассмотрен разработанный в рамках работы косвенный метод самонастройки ПИ-регуляторов, основанный на интегральной оценке параметров объекта управления по переходной характеристике и учитывающий специфику систем промышленной автоматизации.

1. Исследован метод интегральной оценки параметров объекта управления первого порядка с запаздыванием. На основании моделирования было показано, что алгоритм интегральной оценки применим не только для оценки параметров объекта с незашумленным полезным сигналом, но и при наличии шумов. При амплитуде шума до 20% от амплитуды ступенчатого входного воздействия интегральная погрешность оценки параметров объекта Fj (4.3) пренебрежимо мала (Fj ~ 0.0013). С увеличением амплитуды шума работоспособность метода сохраняется, но погрешность Fj определения параметров объекта возрастает (например, при амплитуде шума 50% от амплитуды ступенчатого входного воздействия Ft ~ 0.0062).

2. Рассмотрена возможность аппроксимации апериодического объекта второго порядка с запаздыванием оператором объекта первого порядка с запаздыванием (т.е. "эквивалентным" объектом первого порядка), параметры которого вычисляются с помощью интегрального метода по переходной характеристике исходного объекта второго порядка. Было показано, что в этом случае метод интегральной оценки применим не только для объектов первого порядка, но и для объектов второго порядка с запаздыванием.

3. Аналитически показано, что интегральная погрешность оценки параметров объекта второго порядка F2 (4.9) с постоянными времени ТоЬ1 и ТоЬ2 линейно зависит от величины постоянной времени Тоб1, зависит от соотношения Tob2 / ТоЬ1 и не зависит от времени запаздывания объекта второго порядка. Доказано, что точка максимума интегральной погрешности F2 зависит только от соотношения Tob2 / ТоЬ1 (при любом значении ТоЬ1 наибольшая погрешность оценки параметров объекта возникает при ТоЬ2 /ТоЬ1=1.45). Значение максимальной интегральной погрешности оценки параметров объекта второго порядка (при Tob2/Tobl =1.45) при отсутствии шумов равно

F,MaKC=0.00487 Т0ы • С увеличением амплитуды шума работоспособность метода (как и при работе с объектом первого порядка) сохраняется, но погрешность оценки параметров объекта возрастает.

Доказано, что при определении параметров "эквивалентного" объекта первого порядка методом интегральной оценки, сумма постоянных времени и времени запаздывания апериодического объекта второго порядка равна сумме постоянной времени и времени запаздывания "эквивалентного" объекта первого порядка. Кроме того, выведены формулы расчета параметров "эквивалентного" объекта первого порядка по известным параметрам апериодического объекта второго порядка.

4. По найденным интегральным оценкам параметров объекта первого порядка с запаздыванием проработаны рекомендуемые варианты выбора параметров ПИ-регулятора. Наилучшим вариантом выбора параметров регулятора (при условии, что должно быть обеспечено минимальное время регулирования tp при нулевой статической ошибке и перерегулировании ст не более 5%) был признан вариант из работы [41]. Для данного варианта было показано, что изменение величины отношения времени запаздывания к постоянной времени объекта и наличие погрешностей оценки параметров объекта первого порядка (при значении интегральной погрешности Fj вплоть до 0.0062) практически не сказываются на качестве переходных процессов в замкнутой системе. Таким образом, для получения желаемых показателей качества регулирования в замкнутой системе (при расчете параметров регулятора на основе полученных интегральных оценок параметров объекта), высокая точность идентификации объекта не требуется.

5. Показано, что выбранный вариант настройки ПИ-регулятора обеспечивает требуемые показатели качества регулирования и при работе с объектами более высокого (в данном случае - второго) порядка при условии расчета коэффициентов регулятора на основе параметров "эквивалентного" объекта первого порядка.

Таким образом, разработанный метод самонастройки ПИ-регулятора применим при работе с широким кругом промышленных объектов управления (с самовыравниванием без колебательности) при рассмотрении последних в виде "эквивалентных" объектов первого порядка с запаздыванием.

6. Практическое применение разработанного метода самонастройки было рассмотрено на примере подсистемы регулирования расхода промывной воды для стабилизации плотности пульпы. Эксперимент осложнялся рядом факторов, присущих действующим системам промышленной автоматизации, а именно: отсутствием точной математической модели объекта управления, наличием шумов в измеряемых сигналах (например, среднеквадратичное отклонение по расходу промывной воды равно 0.92 м3/ч, что составляет примерно 3,5% от максимально допустимого изменения выхода объекта управления при проведении эксперимента), жесткими требованиями к показателям качества регулирования и недопустимостью значительных отклонений от заданных технологических режимов. И тем не менее, эксперимент прошел в сжатые сроки (~ 7 мин) и без нарушения технологического режима, а полученные при самонастройке оценки параметров объекта и значения параметров ПИ-регулятора позволили улучшить показатели качества регулирования независимо от величины и знака изменения уставки (время регулирования сократилось примерно в три раза по сравнению с временем регулирования при ручной настройке, а перерегулирование практически не изменилось).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью диссертационной работы являлась разработка структуры и алгоритмического обеспечения комплексной системы автоматизации технологических процессов автоклавного выщелачивания бокситов для повышения эффективности управления ими на отечественных глиноземных производствах.

В рамках работы показано, что высокая эффективность процессов автоклавного выщелачивания бокситов (т.е. максимально возможная производительность батареи, не приводящая к потере качества выщелачивания) обеспечивается при максимально возможном в данных технологических условиях расходе пульпы, при котором еще можно обеспечить максимальную температуру выщелачивания, не приводящую к кипению пульпы при текущем давлении в батарее. Впервые данное положение принято в качестве основной цели автоматизации процессов автоклавного выщелачивания бокситов.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в рамках данной работы, необходимо отметить следующее.

1. Вопросы математического описания зависимости температуры выщелачивания от внешних факторов/возмущений ранее были исследованы недостаточно. В данном случае разработка полной модели является чрезвычайно сложной задачей. Кроме того, полная модель, ввиду ее громоздкости и наличия ряда трудно оцениваемых величин, будет практически непригодна для целей оперативного управления. Поэтому в рамках диссертационной работы разработаны упрощенные динамические модели, описывающие контактный нагрев пульпы паром в процессе выщелачивания бокситов и устанавливающие зависимость температуры пульпы в греющих автоклавах батареи от внешних факторов/возмущений, учитывающие принципиальные закономерности технологического процесса, фундаментальные законы физики, химии и термодинамики.

Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными как для батареи с верхним, так и с нижним подводом пара. Оценка теплоты реакции выщелачивания, сделанная по экспериментальным данным, подтверждена и расчетом по теплотам образования реагентов и продуктов реакции.

По результатам моделирования даны следующие рекомендации по ведению технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов:

• Максимально (с учетом технологических ограничений) увеличить долю греющего пара, подаваемого в первый автоклав, что позволит быстрее провести нагрев пульпы в батарее и, следовательно, при неизменном общем времени выщелачивания повысить величину извлечения окиси алюминия.

• Установить датчики температуры и давления пульпы в четвертом автоклаве батареи (также как и в автоклавах 1-3), что позволит более точно прогнозировать и предотвращать процесс кипения пульпы в батарее.

• В греющих автоклавах батареи с нижним подводом пара датчики измерения температуры пульпы целесообразно устанавливать в точке выхода пульпы из автоклава, что позволит повысить достоверность измерений.

Предложенные модели позволяют по известным параметрам пара и пульпы на входе в батарею оперативно оценивать значения следующих технологических параметров, недоступных для непосредственного измерения:

• химический выход окиси алюминия в раствор к определенному моменту времени (или на выходе интересующего автоклава);

• максимальная температура пульпы в батарее.

На основе разработанных моделей осуществлено построение (синтез) и исследование системы автоматического управления процессами автоклавного выщелачивания бокситов. Данные модели пригодны и для дальнейшего исследования и анализа процессов в батарее.

2. Разработанная в рамках данной работы система управления процессами автоклавного выщелачивания бокситов базируется на современном многоуровневом иерархическом принципе построения АСУТП и ориентирована на широкое применение цифровых управляющих вычислительных машин.

В структуре АСУТП можно выделить два иерархических уровня. На первом (нижнем) уровне находятся локальные САР, обеспечивающие стабилизацию важнейших параметров технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов (расхода пульпы на батарею, температуры пульпы в батарее, давления пульпы в батарее, уровня пульпы в сепараторе первой ступени и плотности пульпы после выщелачивания).

Второй уровень АСУТП позволяет в режиме реального времени проводить оптимизацию технологического процесса в целом за счет координированного формирования уставок (заданий) на локальные САР первого уровня. Второй уровень управления обеспечивает максимально возможную в данных технологических условиях производительность батареи, не приводящую к потере качества выщелачивания. Показано, что при наличии возмущений по давлению пара предложенные алгоритмы функционирования второго уровня АСУТП обеспечивают повышение реальной температуры выщелачивания, а, следовательно, и эффективности процессов автоклавного выщелачивания бокситов в данных технологических ситуациях.

Предусмотрена возможность согласования работы АСУТП автоклавного выщелачивания бокситов с вышестоящими системами управления глиноземным производством (например, с диспетчерской системой глиноземного производства).

В основу локальных САР первого уровня АСУТП положен широко распространенный в промышленной автоматике ПИД закон регулирования, позволяющий обеспечить требуемые показатели качества регулирования для большого класса объектов управления при относительной функциональной простоте. Согласование ПИД-регулятора с исполнительными механизмами постоянной скорости, эксплуатируемыми на участках выщелачивания бокситов отечественных глиноземных заводов в составе большинства подсистем регулирования, осуществлено с помощью специально разработанного модуля (ШИМ-регулятора).

Контуры регулирования расхода пульпы на батарею, давления пульпы в последнем автоклаве батареи и уровня пульпы в сепараторе первой ступени построены как автономные типовые контуры стабилизации соответствующих выходов объекта на заданных оператором уровнях (уставках).

В связи с тем, что на этапе исследования технологического процесса и моделирования было изучено влияние измеряемых возмущений на температуру пульпы в греющем автоклаве и выявлена зависимость расхода пара от целого ряда возмущений, имеющих место в технологическом процессе, подсистема регулирования температуры пульпы построена как комбинированная система (система с программной составляющей) с вложенным контуром стабилизации расхода пара. Программная составляющая уставки расхода греющего пара вычисляется на основе моделей, разработанных и исследованных в рамках данной работы. Компенсация неизмеряемых возмущений, имеющих место в технологическом процессе, и отклонения модели от реальной характеристики объекта осуществляется с помощью ПИ-регулятора температуры, выход которого формируется в зависимости от ошибки стабилизации температуры пульпы. Специально разработанный и обоснованный механизм блокировки работы ПИ-регулятора температуры после смены уставки и ухода исполнительного механизма с упора (после отсутствия запаса по регулированию) позволяет избежать существенного перерегулирования по температуре в данных ситуациях.

Таким образом, впервые при построении подсистемы управления температурой пульпы применен подход, сочетающий максимально полный учет (в программной составляющей уставки расхода пара) измеряемых возмущения, имеющих место в технологическом процессе, со стабилизацией расхода пара. Впервые аналогичным образом реализована и подсистема регулирования плотности пульпы после выщелачивания.

Обоснована возможность управления температурным режимом выщелачивания путем стабилизации температуры пульпы не в реакционном автоклаве, а в одном из греющих автоклавов батареи, что позволило существенно улучшить динамические характеристики объекта управления по каналу регулирующего воздействия за счет значительного снижения времени транспортного запаздывания. Даны рекомендации по выбору значения уставки в подсистеме регулирования температуры пульпы в греющем автоклаве.

3. Для упрощения процедуры настройки и ввода в эксплуатацию разработанных систем управления, в рамках данной работы предложен и исследован косвенный метод самонастройки ПИ-регуляторов, основанный на интегральной оценке параметров объекта управления по переходной характеристике и учитывающий специфику систем промышленной автоматизации.

Показано, что алгоритм интегральной оценки применим не только для определения параметров объекта с незашумленным полезным сигналом, но и при наличии шумов. При амплитуде шума до 20% от амплитуды ступенчатого входного воздействия интегральная

200/ погрешность оценки параметров объекта F, пренебрежимо мала ( FiU/0 ~ 0.0013). С увеличением амплитуды шума работоспособность метода сохраняется, но погрешность возрастает (например, F^07"- 0.0062).

Показано, что метод интегральной оценки применим не только для объектов первого порядка, но и для апериодических объектов второго порядка с запаздыванием. Таким образом, метод интегральной оценки позволяет по переходной характеристике объекта второго порядка вычислить параметры "эквивалентного" объекта первого порядка (т.е. метод интегральной оценки можно рассматривать и как простой метод аппроксимации апериодического объекта второго порядка оператором объекта первого порядка с запаздыванием). Аналитически показано, что интегральная погрешность оценки параметров объекта второго порядка F2 с постоянными времени ТоЫ и ТоЬ2 линейно зависит от величины постоянной времени Тоб1, зависит от соотношения Tob2 / ТоЬ1 и не зависит от времени запаздывания объекта второго порядка Доказано, что точка максимума интегральной погрешности F2 зависит только от соотношения ТоЬ2 /ТоЬ1 и достигается при ТоЬ2 /ТоЬ1=1.45.

Доказано утверждение, что при определении параметров "эквивалентного" объекта первого порядка методом интегральной оценки, сумма постоянных времени и времени запаздывания апериодического объекта второго порядка равна сумме постоянной времени и времени запаздывания "эквивалентного" объекта первого порядка. Кроме того, выведены формулы расчета параметров "эквивалентного" объекта первого порядка по известным параметрам апериодического объекта второго порядка.

По найденным интегральным оценкам параметров объекта первого порядка с запаздыванием проработаны рекомендуемые варианты выбора параметров ПИ-регулятора. Наилучшим вариантом выбора параметров регулятора (при условии, что должно быть обеспечено минимальное время регулирования при нулевой статической ошибке и перерегулировании не более 5%) был признан вариант из работы [41]. Для данного варианта было показано, что изменение величины отношения времени запаздывания к постоянной времени объекта и наличие погрешностей оценки параметров объекта первого порядка (при значении интегральной погрешности F, вплоть до 0.0062) практически не сказываются на качестве переходных процессов в замкнутой системе. Таким образом, для получения желаемых показателей качества регулирования в замкнутой системе (при расчете параметров регулятора на основе интегральных оценок параметров объекта), высокая точность идентификации объекта не требуется.

Показано, что выбранный вариант настройки ПИ-регулятора обеспечивает требуемые показатели качества регулирования и при работе с объектами более высокого (второго) порядка при условии расчета коэффициентов регулятора на основе параметров "эквивалентного" объекта первого порядка. Таким образом, разработанный метод самонастройки ПИ-регулятора применим при работе с широким кругом промышленных объектов управления (с самовыравниванием без колебательности) при рассмотрении последних в виде "эквивалентных" объектов первого порядка с запаздыванием.

Результатами промышленных испытаний подтверждено, что предложенная методика самонастройки систем управления, построенных на базе ПИ-регуляторов, позволяет улучшить показатели качества регулирования (время регулирования сократилось примерно в три раза, а перерегулирование практически не изменилось).

4. Диссертантом была выполнена и внедрена в промышленную эксплуатацию на Богословском алюминиевом заводе программная реализация разработанных алгоритмов управления (1-го уровня АСУТП) технологическим процессом автоклавного выщелачивания бокситов. По результатам многомесячной промышленной эксплуатации разработанной системы управления на 12 батареях автоклавного выщелачивания бокситов (как с верхним, так и с нижним подводом пара) можно сделать следующие выводы: • улучшилось качество процессов регулирования по сравнению с ранее применявшимися системами управления (в частности, перерегулирование по температуре пульпы при отработке изменения задающего воздействия практически отсутствует; максимальное отклонение температуры пульпы в греющих автоклавах от заданного значения в процессе компенсации возмущений не превосходит 2-3°С на уровне 225 °С); это позволило увеличить среднее значение уставки по температуре и, следовательно, обеспечило повышение эффективности процессов выщелачивания;

• повысилась эффективность работы участков выщелачивания (см. акт внедрения в приложении 4): уменьшился удельный расход пара высокого давления; не менее чем на 0.5% (что соответствует примерно 4000 тонн глинозема в год) возросло химическое извлечение окиси алюминия из боксита; количество отклонений по химическому извлечению снизилось с 26.6% до 16.6%;

• получен существенный экономический эффект.

5. Полученные результаты применимы в полном объеме при проектировании/модернизации АСУТП участков автоклавного выщелачивания бокситов отечественных глиноземных производств. Кроме того, следующие выводы и результаты применимы для построения систем управления широким кругом промышленных ОУ:

• разработана и реализована в цифровом виде структура универсального ПИД-регулятора, имеющая следующие особенности: о дифференциальная составляющая регулятора работает с сигналом выхода объекта, а не с сигналом ошибки, что предотвращает изменение выхода дифференциальной части регулятора при скачкообразном изменении уставки; о введен блок ограничения уставки, предотвращающий установку задающих воздействий вне диапазона допустимых значений; о при недопустимости для объекта скачкообразных управляющих воздействий, в состав регулятора включен задатчик интенсивности, ограничивающий скорость изменения уставки; о введена зона нечувствительности; о предусмотрены ограничения выхода регулятора и соответствующие им упоры интегратора, предотвращающие "забросы" последнего; о предусмотрена возможность ручного управления исполнительным механизмом ("ручной" режим); обеспечен плавный (безударный) переход из ручного режима в автоматический и обратно;

• разработан и реализован в цифровом виде модуль (ШИМ-регулятор), позволяющий согласовывать ПИД-регулятор с исполнительными механизмами постоянной скорости, широко применяющимися в отечественной промышленности;

• даны рекомендации по применению и настройке ПИД- и ШИМ-регуляторов в конкретных подсистемах регулирования;

• разработан и обоснован механизм блокировки работы регулятора в замкнутой части комбинированной системы управления после смены уставки и ухода исполнительного механизма с упора (после отсутствия запаса по

• разработан метод самонастройки ПИ-регуляторов, применимый при работе с широким кругом промышленных объектов управления (с самовыравниванием без колебательности).

В качестве итогового обобщения результатов работы можно отметить следующее: Разработаны, исследованы и апробированы упрощенные динамические модели, описывающие контактный нагрев пульпы паром в процессе выщелачивания бокситов и устанавливающие зависимость температуры пульпы в греющих автоклавах батареи от внешних факторов/возмущений, позволяющие проводить дальнейший анализ процессов выщелачивания, строить (синтезировать) и исследовать системы автоматического управления и оценивать значения некоторых технологических параметров, недоступных для непосредственного измерения. Разработана система управления технологическим процессом автоклавного выщелачивания бокситов, при этом: система управления базируется на современном многоуровневом принципе построения АСУТП и ориентирована на широкое применение цифровых управляющих вычислительных машин; имеется возможность согласовывать работу АСУТП автоклавного выщелачивания бокситов с вышестоящими системами управления глиноземным производством в целом; разработаны и реализованы процедуры оптимизации технологического процесса (обеспечивается максимально возможная в данных технологических условиях производительность батареи (максимальный расход пульпы), не приводящая к потере качества выщелачивания); обоснована возможность управления температурным режимом выщелачивания путем стабилизации температуры пульпы не в реакционном автоклаве, а в одном из греющих автоклавов батареи, что позволило существенно улучшить динамические характеристики данной подсистемы по каналу регулирующего воздействия за счет значительного снижения времени транспортного запаздывания; впервые при построении подсистемы управления температурным режимом выщелачивания применен подход, сочетающий максимально полный учет (в программной составляющей уставки расхода пара) всех измеряемых возмущений, имеющих место в технологическом процессе, со стабилизацией расхода пара; специально разработан и обоснован механизм блокировки работы регулятора в замкнутой части комбинированной системы после смены уставки и ухода исполнительного механизма с упора (после отсутствия запаса по регулированию), позволяющий избежать существенного перерегулирования в данных ситуациях; разработан простой универсальный блок согласования ПИД-регулятора с исполнительным механизмом постоянной скорости - ШИМ-регулятор.

3. Разработан, обоснован и исследован косвенный метод самонастройки ПИ-регуляторов, основанный на интегральной оценке параметров объекта управления по переходной характеристике и учитывающий специфику систем промышленной автоматизации (отсутствие точных математических моделей объектов управления, высокий уровень шумов и т.д.); выведены формулы расчета параметров "эквивалентного" объекта первого порядка по известным параметрам апериодического объекта второго порядка.

4. Даны рекомендации по ведению технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов, по выбору значения уставки в подсистеме регулирования температуры пульпы в греющем автоклаве, по настройке ПИД- и ШИМ-регуляторов в конкретных подсистемах управления.

5. Разработанные модели, системы управления и методика их самонастройки применимы как для технологических процессов автоклавного выщелачивания бокситов, так и, частично, для широкого круга промышленных объектов управления.

6. Достигнута основная практическая цель работы - за счет разработки и внедрения нового алгоритмического обеспечения системы управления процессами автоклавного выщелачивания удалось повысить их эффективность.

1. Троицкий И.А., Железное В.А. Металлургия алюминия: учеб. пособие для техникумов цв. металлургии. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1984. -398 с.

2. Лайнер А.И., Еремин Н.И., Лайнер Ю.А., Певзнер И.З. Производство глинозема. -2-е изд. М.: Металлургия, 1978. - 344 с.

3. Набойченко С.С., Ни Л.П., Шнеерсон Я.М., Чугаев Л.В. Автоклавная гидрометаллургия цветных металлов. Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2002. -940 с.

4. Мальц Н.С. Автоклавное выщелачивание бокситов. М., 1980.

5. Локшин Р.Г. Современные системы автоматизированного управления процессами выщелачивания в производстве глинозема. М., 1986.

6. Кузнецов С.И., Деревянкин В.А. Физическая химия производства глинозема по способу Байера. М.: Металлургиздат, 1964. - 352 с.

7. Певзнер И.З., Райзман В.Л. Автоклавные процессы в производстве глинозема. -М.: Металлургия, 1983. 128 с.

8. Рабочая инструкция аппаратчику-гидрометаллургу автоклавного выщелачивания по режиму работы и безопасному обслуживанию автоклавной батареи. РИ 10-2698. Краснотурьинск: филиал "БАЗ" ОАО "СУАЛ", 1998.

9. Еремин Н.И., Наумчик А.Н., Казаков В.Г. Процессы и аппараты глиноземного производства. М.: Металлургия, 1980. - 360 с.

10. Беляев И.И. Контроль и автоматизация производства глинозема и алюминия. М.: Металлургия, 1967. - 258 с.

11. Туринский З.М., Мальц Н.С., Вербов Л.Ф. Приближенная математическая модель кинетики выщелачивания моногидратных бокситов // ЖПХ. 1974, Т. 17, вып. 10. - С. 2246-2250.

12. Левин М.В., Межеровская Л.В. Математическое описание процесса выщелачивания боксита в автоклавной батарее непрерывного действия //14