автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Синтез автоматической системы управления газовыми потоками конвертерного передела

На правах рукописи

АНИКИН Михаил Константинович

СИНТЕЗ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫМИ ПОТОКАМИ КОНВЕРТЕРНОГО ПЕРЕДЕЛА

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (металлургия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 МАЙ 2007

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2007

003063153

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте нмени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Власов К.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Харазов В.Г.,

кандидат технических наук, доцент

Семенов М.А.

Ведущее предприятие — ОАО «Институт Гипроникель».

Защита диссертации состоится 28 мая 2007 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.2205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 28 апреля 2007 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

д.т.н., доцент - В.Н.БРИЧКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время на отдельных переделах промышленных предприятий цветной металлургии широко применяются конвертерные процессы как в вертикальных, так и в горизонтальных агрегатах, которые обладают целым рядом достоинств при проведении в них плавок высокой производительностью, относительной простотой конструкции. К существенным недостаткам конвертеров относят периодичность их работы и трудность улавливания конвертерных газов. Эксплуатация газоходной системы конвертеров характеризуется низкими технико-экономическими показателями, к которым относятся- неконтролируемый выброс конвертерных газов при низких разрежениях в газоходе во время переходных процессов (загрузка материала, изменение положения фурмы и др.) и низкие концентрации сернистого ангидрида в газе во время стационарных режимов технологического процесса (продувка расплава) Повышение эффективности работы газоходной системы является весьма актуальной задачей, решение которой возможно путем создания автоматической системы управления (АСУ) газовым потоком конвертерного производства, практически исключив человека из процесса управления Однако, на производстве отсутствуют научно-обоснованные технические решения по созданию указанной автоматической системы, учитывающей технологические особенности конвертирования.

Исследования, представленные в данной работе, выполнялись в рамках перечня научных направлений Российской Федерации- «Энергосбережение», «Компьютерное моделирование» и «Снижение риска и уменьшение последствий природных и техногенных катастроф», а также в рамках Гранта РФФИ «Поддержка ведущих научных школ» (проект № 00-15-99070л), научных направлений 6.30.022 «Исследование теоретических основ и разработка экологически безопасных ресурсосберегающих процессов комплексной переработки металлосодержащего сырья и продуктов» (2002-2004) и 6 30.021 «Исследование теоретических основ, разработка ресурсосберегающих, экологически безопасных

технологий с применением компьютерного моделирования в производстве цветных металлов» (2005-2007).

Цель работы - обоснование структуры автоматической системы управления газовыми потоками конвертерного передела и разработка алгоритмов синтеза на всех уровнях иерархии.

Основные задачи исследования:

• формализация цели управления газовыми потоками конвертерного передела и обоснование структуры системы, обеспечивающей ее достижение,

• составление математической модели газоходной системы как объекта управления и разработка методики синтеза устройства управления разрежением в газовом тракте,

• синтез системы управления режима работы газового тракта, обеспечивающий оптимальные параметры процесса газоудаления,

• разработка алгоритма оперативного управления газовыми потоками конвертерного производства.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы математического и компьютерного моделирования, теории линейных и адаптивных систем, теории вероятности и Марковских цепей, статистической динамики, методы реально виртуальных систем моделирования; применялись прикладные программные пакеты Matlab v.7.0, Mathcad vil, Maple v.5 и др

Научная новизна работы:

• разработана математическая модель газохода конвертера, учитывающая особенности технологического процесса,

• установлена связь между параметрами объекта управления, описанного дифференциальным уравнением второго порядка, и оптимальными, в смысле выбранного критерия, параметрами управляющего устройства для предложенной структуры системы управления;

• разработан алгоритм методики параметрического синтеза системы управления;

• сформулированы принципы формирования критериальной функции, характеризующей качество управления газовыми потоками конвертерного производства для статического режима функционирования системы;

• разработан алгоритм для экстремальной системы управления газоходом конвертера,

Практическое значение работы: « разработана инженерная методика параметрического синтеза управляющего устройства для широкого класса объектов управления,

® разработана структура и методика синтеза адаптивной системы управления газовыми потоками, обеспечивающей максимальное содержание сернистого ангидрида в газах конвертерного производства

• разработана функциональная схема автоматической системы управления для стационарного и переходного режима работы газохода конвертера.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались на научной конференции студентов и молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2004, 2006г.), молодежной научно-практической конференции проходившей в рамках Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2004 г), научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода Теория и практика» (Харьков, Украина, 2005г.), научно-практической конференции «Современные технологии в области электроснабжения, электрооборудования и автоматики автономных объектов» (Санкт-Петербург, 2006 г.) Научно-исследовательская работа в рамках темы диссертации удостоена медалью Министерства образования и науки РФ (приказ №201 от 15 июля 2005 г)

Публикации

Основные научные положения диссертации отражены в 7 печатных работах

Структура работы

Диссертация изложена на 140 страницах, включая введение, 4 главы, заключение, список литературы из 102 наименований, содержит 36 рисунков, 6 таблиц

Во введении обоснована актуальность работы. В первой главе произведен анализ существующих способов управления газовыми потоками конвертерного производства Сформулированы задачи управления Обоснована декомпозиция АСУ по уровням иерархии. Нижний уровень иерархии включает в себя систему стабилизации разрежения в газоходе за счет управления частотой вращения дымососа Средний уровень выполняет задачу формирования задания на разрежение для нижнего уровня во время проведения плавки. Верхний уровень выбирает режим функционирования газоходной системы или ее частей.

Во второй главе обоснована структура и алгоритмы системы управления разрежением в газовом тракте. Построена математическая модель объекта управления Разработана методика параметрического синтеза системы управления

Третья глава посвящена синтезу АСУ среднего уровня. Разработана методика формирования критерия качества функционирования газоходной системы. На основе результатов моделирования сформирован критерий и синтезирован дискретный экстремальный регулятор.

В четвертой главе предложена структура автоматизированной системы управления верхнего уровня иерархии Разработана экспертная система определения технологического режима конвертерного производства для ГМК «Североникель».

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Параметрический синтез автоматической системы управления разрежением в газоходе конвертера, осуществленный с применением интегрального квадратичного критерия на базе аппроксимации объекта управления дифференциальным уравнением второго порядка, позволяет найти оп-

тимальные параметры управляющего устройства, обеспечивающие заданные показатели качества управления при переходных режимах функционирования конвертера.

Конвертерные газы от переработки сульфидных материалов отличаются высоким содержанием диоксида серы (ЯО2), который вреден для окружающей природы и здоровья человека. Схема газоходной системы вертикального конвертера представлена на рис 1 (ОУ) Задача газоходной системы — улавливать и транспортировать образующиеся газы на переработку в сернокислотный цех (СКЦ). При переходных режимах функционирования конвертера (загрузка материалов, изменение положение фурмы и др ) возникают резкие изменения количество образующихся газов Это приводит к выбросам их через зазор между на-пыльником и горловиной конвертера, что недопустимо. Автома-

Рис 1 Схема нижнего уровня иерархии автоматической системы управления 1- вертикальным конвертер, 2 - кислородная фурма, 3 - зазор, 4 - водоохладаемый огкагной газоход (напыльник), 5- датчик разрежения в напыльнике (Р„), 6- дымосос конвертера, 7- коллектор грязных газов, 8 - датчик разрежения перед электрофильтром (Р„), 9- электрофильтр, 10- дымосос электрофильтра, ОУ - объект управления, УС - устройство сравнения, УУ - устройство управления, ИМ - исполнительный механизм (двигатель), /'„ , Гф - задания на разрежение (Па), е — ошибка (Па),/- частота питающего напряжения двигателя дымососа (Гц), со - частота вра-

тическая система управления позволяет избежать этого путем стабилизации давления в напыльнике, но для эффективной ее работы необходимо, что бы параметры устройства управления были оптимальные

Математическая модель газоходной системы как объекта управления составлена на основе материального и теплового балансов элементов газохода с применением известных уравнений гидравлики и термодинамики. Структурная схема модели представлена на рис 2 Вычислительные эксперименты на модели позволили получить временные характеристики, которые были аппроксимированы по минимуму среднеквадратической ошибки

Рис 2 Структурная схема динамической модели газоходной системы конвертерного

передела

К - конвертер, 3, - зазор, II, — напыльники,, ОГ, - 1-тый элемент газохода, Дь Д2- дымососы конвертера и электрофильтра соответственно, КГГ - коллектор грязных газов, ЭФ - электрофильтр, КЧГ - коллектор чистых газов, 6, - температура газа в 1-тый элементе газохода (°С), Р, - давление газа (Па), Ок ~ расход кислорода на дутье (кг/с),//, /2 - частота питающего напряжения двигателя дымососа конвертера и электрофильтра соответственно (Гц)

динамическими звеньями второго порядка, приведенными в таблице 1 Аппроксимированная модель объекта управления представлена на рис 3

Таблица 1

Передаточные функции 1Уху(р) = кху /(Т^2 р2 + 2£,Тхур + \) объекта управления

"/л 1Г,Л(Р) "УЛ(Р) КЛ(Р)

К 29 Пас 203,1 Пас 16,1 Пас 216 Па с 4 Па с/кг 0,2 Па с/кг

0,55 с 2,45 с 2,00 с 2,00 с 0,63 с 0,32 с

\ 2,46 2,04 1,75 2,00 0,63 0,32

Структура нижнего уровня иерархии системы управления представлена на рис 1 В нее входят два связанных контура стабилизации параметров объекта управления /^-разрежение в на-

пылышке и Рф -разрежение перед электрофильтром Параметрический синтез контуров управления производится следующим образом Первыми рассчитываются параметры контура стабилизации разрежения в напыльнике, так как от него требуется наибольшее быстродействие Затем контуры поддержания разрежения в газоходе перед электрофильтром, используя в качестве объекта управления газовый тракт с включенным контуром стабилизации Р

кху Т^Е^у - коэффициент усиления, постоянная времени и коэффициент демпфирования объекта управления по каналу ху соответственно

Параметрический синтез автоматической системы стабилизации разрежения проводится по минимуму интегрального квадратичной ошибки в соответствии с которым, при объекте, описываемом передаточной функцией второго порядка с параметрами к0, , структуре управляющего устройства, реализующего ПИ-закон регулирования

Г

VР(Р)= кР

1+-

1

ТРР

О)

с параметрами кр, Тр, и структуре системы управления, показанной на рис 4, имеем

00

/=|е(02Л = т т, (2)

где е({) = РН* —Рн (0 - отклонение текущего значения выходной величины Р„(0 от ее заданного значения

р * гн

Изображение ошибки при подаче на вход системы единичного возмущения /(/) = 1(/) можно представить в форме

С2рг+С1р + С0

Др3+Др2 + Др +Д

Рис 4 Структурная схема контура управления

(3)

где С2=0, С;=0, С0=ТР к0, ТРТ0", В2=2ТрТ„£, О,=Тр(1+крк0), В0=крко

С учетом (3) значение интеграла (2) как функции переменных параметров кр, Тр равно

1{Тв,к„) =

С22ДД +(С,2 -2С0С2)ДД +С02Д Д

2ДДСДД-ДД) Анализ зависимости 1(Тр,кр) показывает, что описываемая ею поверхность не имеет четко выраженного минимума и

представляет собой «желоб» идущий из начала координат практически параллельно оси кр, минимум которой достигается при бесконечном кр

Взяв частную производную и приравняв ее нулю, найдем зависимость Тр = /(к) , имеющую вид-

Т = крКТ° (4)

Как видно из (4) при кр-ка »1, единицей в знаменателе можно пренебречь Тогда

ТР (5)

где Тр * - значение постоянной времени управляющего устройства, при которой достигается условие (2) Заметим, что соотношение (5) справедливо для объекта второго порядка с произвольными значениями параметров.

В качестве дополнительных условий приняты ограничения на перерегулирование а при переходных процессах в системе. Если коэффициент усиления управляющего устройства представить в виде

кр = Кр/к0, (6)

где кор - нормированный коэффициент усиления, а его постоянную времени с учетом (5) записать

Тр — арТр * , (7)

где ар > 0 - дополнительный коэффициент, то вид переходного процесса* не зависит от параметров Т0 и кп объекта управления.

Оптимальные значения ар* и кор * ищутся в области допусти-

В нормированных координатах Для переходного процесса по каналу задания Рн*~ Р„ нормированные координаты 1/Тп, Р„(1)

мых перерегулирований (с<ад) при минимуме критерия 1(Тр,кр). Перепишем выражение критерия 1{Тр,кр) в нормированном виде как /(ар,кор) с учетом(б) и (7)-

Р °

Исследования показали, что значения критерия (8) не зависит от параметров объекта управления

Для рассматриваемой системы управления, для переходных процессов по каналам задания, допустимое значение перерегулирования составляет стд=30% На рис 5 представлена границы областей допустимого перерегулирования в широком диапазоне £ (0,5 - 2,6) совместно с линиями равного уровня критерия (8)

Из рис 5 следует, что оптимальные значения ар * и кор * для соответствующего £ достигаются на границе области сл=30% На рис.5 построена кривая оптимальных значений для различных £,. Из анализа кривой оптимальных значений получены следующие аппроксимирующие зависимости для нахождения ар *

и кор * при заданном ^(0,5 - 2,6):

а/= 4 9171-14 (9)

^* = 5 74(^-0.03)2-2 3 (10)

Следует отметить, что в указанный диапазон % (0,5 - 2,6) входят практически все объекты, аппроксимируемые уравнением второго порядка.

Таким образом, для объекта второго порядка с произвольными значениями коэффициентов Т0, ка и ^=0,5 - 2,6 при

структуре системы управления, показанной на рис.4, и допустимом перерегулировании ад=30% значения параметров устройства

- - кривые равных значений перерегулирования (о=30%) при раз тачных

.......кривые равных значений нормированного критерия 1н(ар,кор) Ю3,

управления (1), найденные по соотношениям (6) и (7) с учетом (9) и (10), являются оптимальными

Для контура стабилизации разрежения в напыльнике (таблица 1) оптимальные параметры устройства управления составляют кр1 = 1 248, ТрХ =1 409. Аналогичным образом находим

оптимальные параметры контура поддержания разрежения перед электрофильтром. В качестве объекта управления в этом случае

выступает газоходная система с включенным контуром стабилизации разрежения в напыльнике. При этом параметры аппроксимирующего уравнения второго порядка будут. К0-Ъ21 Па/Гц, Т„2=Ъ с, £=1,7 Тогда оптимальные параметры управляющего

устройства следующие' =0,056 Гц/Па, Тр2 =8,824

На рис 6 представлены переходные процессы в системе управления при обоих включенных контурах управления, а именно: по каналу разрежения в напыльнике при пороговом изменении его заданного значения (рис 6, кривая 1) и по каналу разрежения перед электрофильтром при пороговом изменении его заданного значения (рис 6, кривая 2)

2. Автоматическая система управления на базе экстремального регулятора при использовании предложенного критерия способна поддерживать оптимальное разрежение в газоходе конвертера во время продувки расплава, что позволяет получить максимальную концентрацию сернистого ангидрида в отходящих газах при отсутствии их выброса.

По технологии переработки, концентрация газов на входе в СКЦ не должна быть ниже допустимой. Несмотря на то, что при продувке расплава образуются весьма концентрированные газы (93% ЭОг), во время их движения по газоходу подсасываемый воздух существенно понижет концентрацию (3-8% БОг) Наибольший подсос происходит в зазор между горловиной конвертора и напыльником Максимально высокую концентрацию сернистого ангидрида без изменения конструкцию газоходной системы можно получить только поддерживая в напыльнике оп-

1 2

Рис 6 Переходные процессы в системе

1 — разрежение в напыльнике,

2 - разрежение перед электрофильтром

тимально низкое разрежение Рнт такое, чтобы подсос был минимальным, а выброса еще не происходило Так как значение оптимального разрежения зависит от многих факторов и меняется во время продувки, управление целесообразно передать автоматической экстремальной системе

По известной модели, построена кривая концентрации диоксида серы в отходящих газах С=/(Р„), показанная на рис 7 (кривая 1) Из анализа зависимости (рис 7, кривая 1) следует, что оптимальное разрежение Р"' лежит в окрестности точки А Для работы экстремальной системы необходим критерий оценки качества функционирования системы управления. Чтобы сформировать критерий с максимумом в точке А, воспользуемся вспомогательной прямой а — ЬР„ В этом случае рабочая точка А окажется на максимуме критерия, если вспомогательная прямая будет па-

Рис 7 Критерий оптимальности

1 — зависимость концентрации диоксида серы С от разрежения Р„,

2 — вспомогательная прямая, 3 — зависимость критериальной функции Ф о г разрежения Р„

раллельна касательной в точке А Тогда критерий будет иметь выражение

где Ф - критерий качества; С=/(Рц) -концентрация диоксида серы, Рн - разрежение в районе напыльника; (а - ЬРН) - уравнение вспомогательной прямой (рис.7, прямая 2), а и Ь - параметры вспомогательной прямой

Зная разрежение р , при котором наблюдается выброс

конвертерных газов в цех, выбор параметров вспомогательной прямой (а и Ь) производится так, что бы она проходит из точки В=С(Р1р) параллельно касательной в точке А (рис.7 кривая 3)

Выбор конкретного типа экстремального регулятора и, в конечном счете, выбор той или иной стратегии поиска экстремума критериальной функции Ф определяется рядом факторов, обусловленных прежде всего свойствами объекта управления Газо-ходная система конвертера совместно с приборами измерения и исполнительными механизмами характеризуются значительной инерционностью Входные воздействия на объект управления определяются условиями ведения технологического процесса и представляют собой относительно медленно меняющиеся случайные функции времени, содержащие высокочастотные помехи Для подобных случаев целесообразно использовать дискретные экстремальные регуляторы, которые обладают значительной помехоустойчивостью. Введем обозначение управляющего воздействия и-Р„ Тогда формализованное выражение дискретного алгоритма поиска экстремума, обеспечивающее достаточное качество управления, имеет вид-

Ф=(а-ЪРи)-С,

(И)

1-81§пФ„ 1 4- 51§пФи 1+51§ПАФ,

п

(12)

[_ 2 2 2

п '

где ип+], ип - заданные значения управляющего воздействия на 11-

ом и п+1-ом шаге управления, А и' ,Аи" - величины шагов квантования по уровню управляющего воздействия, причем Ди' > Аи" , и'п , и" ,и„ = и'п + 11" - функции переключения; ДФ„ = Ф„ — Ф„_, -приращение критерия; 8 - зона нечувствительности экстремального регулятора, иэ = Г,,'" - значение управления в точке экстремума

Экстремальная система управления, функционирующая в соответствии с алгоритмом (12), обеспечивает устойчивый выход системы в зону экстремума и высокую точность его отслеживания при дрейфе критериальной функции Ф(и) Потери на поиск экстремума минимизируются за счет соответствующего подбора

шагов квантования по управлению (Аи',Аип) по выражениям А и' - (Рнт — Ркр) / 3 , А и" = Аи1 / 3 Величина квантования по времени Л/, определяется как время достижения 90% от установившегося значения при переходном процессе по каналу Р„ - С

На разработанный «Способ управления газовым режимом конвертерного передела цветной металлургии» получен патент на изобретение

Оценка инерционных свойств газоходной системы при помощи математической модели в виде цепи аппаратов идеального перемешивания дала следующее значение Д^э=25,5 с

При расчете кривых переходного процесса Ф(7) и и(1) использовалась зависимость Ф(Р„) (рис 7) Переходный процесс в системе управления, являющийся решением дифференциальных уравнений при ненулевых начальных условиях, представлен на рис 8 Как следует из рис 8, кривая Ф(0 в сравнительно быстром темпе достигает зоны экстремума при А и" =2,7 , в которой уста-

навливается режим автоколебаний с малым шагом квантования по уровню Аи" =0,89. Время выхода в точку экстремума составляет 153 с, что достаточно быстро при времени плавки порядка 60 - 90 мин Потери на поиск при среднем значении критериальной функции Ф(/) в режиме автоколебаний 16 58 и значении максимума 16 64 составят 0,4%.

Кривая изменения концентрации в отходящих газах диоксида серы представлена на рис 9 Из рисунка следует, что в период проведения плавки средняя концентрация диоксида серы в ре-

жиме автоколебаний составит 13,4%, при достигаемой в настоящее время на производстве - 3-8%

с, Д

-/

У * ---

Рис 9 Изменение концентрации диоксида серы в процессе управления

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты

• для управления газовыми потоками конвертерного передела целесообразно применять адаптивную систему управления, декомпозиция которой по уровням иерархии произведена по структурному признаку: линейные алгоритмы - нижний уровень управления, экстремальные - средний уровень и алгоритмы оперативного управления - верхний уровень,

• синтез оптимальных параметров устройства управления разрежением в газовом тракте целесообразно производить по предложенным соотношениям, связывающим минимум интеграла квадрата ошибки при ограничении на перерегулирования с параметрами объекта управления,

• для дискретной экстремальной системы управления газовыми потоками конвертерного передела целесообразно применять предложенный алгоритм управления,

• формирование критерия эффективности функционирования газоходной системы для экстремальной системы управления целесообразно проводить по разработанной методике.

Ожидаемый эффект от внедрения результатов исследования- повышение содержания диоксида серы в конвертерных газах, поступающих на сернокислотное производство, с 3-8% до 10-15%,

- экономия электроэнергии более 3500 МВт час в год,

- уменьшение выбросов сернистого ангидрида в цех и окружающую среду.

Список публикаций по теме диссертации

1 Аникин М К. Выбор оптимальных параметров ПИ-регулятора // Полезные ископаемые России и их освоение Записки горного института, Том №159, 2004 г., СПб1 СПГГИ, с 137139

2 Аникин М.К Экстремальная система управления газо-ходной системой конвертера // Полезные ископаемые России и их освоение Записки горного института, Том №167, 2006 г, СПб СПГГИ, с 204-206

3. Власов КП Система управления разрежением в газовом тракте конвертерного передела / К П.Власов, М.К Аникин // Проблемы автоматизированного электропривода теория и практика1 Вестник национального технического университета ХПИ, Вып. №45, 2005 г. Харьков- ХПИ, с 235-238

4 Аникин М К К вопросу управления газоходной системой конвертерного производства с целью снижения выбросов // Материалы Уральской горнопромышленной декады, 2004 г., Екатеринбург. УГГГА, с. 421-424 .

5. Власов К П. Моделирование системы управления режимом работы газового тракта / К П Власов, М К Аникин // - Цветные металлы №10 2006 г. с 77-80.

6 Аникин М.К Способ управления газовым режимом конвертерного передела цветной металлургии /М.К Аникин, К П.Власов // патент РФ №2297463, бюл №11, 2007 г

7. Власов К.П Теория автоматического управления: Учебное пособие / К.П.Власов, М К Аникин// СПГГИ, СПб, 2004 г 99с

РИЦСПГГИ 25 04 2007 3 182 Т 100 экз 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д 2

Введение.

ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований.

1.1. Конвертерное производство в цветной металлургии.

1.2. Газоходная система конвертерного производства.

1.2.1. Межцеховая газоходная система.

1.2.2. Газоходная система металлургического цеха.

1.3. Опыт создания автоматических систем управления газовыми потоками.

1.4. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. Газоходная система как объект управления, синтез системы нижнего уровня управления.

2.1. Математическая модель газоходной системы.

2.1.1. Расчет статического режима функционирования газохода.

2.1.2. Моделирование статического режима работы газохода конвертера.

2.2. Динамическая математическая модель газоходной системы.

2.2.1. Элемент газохода.

2.2.2. Зазор между напыльником и конвертером.

2.2.3. Конвертер.

2.2.4. Дымосос.

2.2.5. Динамическая модель газоходной системы.

2.2.6. Результаты моделирования.

2.3. Синтез систем управления газовым режимом.

2.3.1. Методика синтеза регулирующего устройства.

2.3.2. Параметрический синтез регуляторов.

2.4. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Синтез автоматической системы управления эвакуацией газа.

3.1. Структура среднего уровня АСУ.

3.1.1. Адаптивный блок.

3.1.2. Блок выбора режима.

3.2. Математическая модель газоходной системы.

3.2.1. Модель разбавления газа в статическом режиме.

3.2.2. Динамическая модель эвакуации газа конвертерного передела.

3.3. Синтез адаптивной системы управления.

3.3.1. Критерий эффективности функционирования АСУ.

3.3.2. Синтез экстремального регулятора.

3.3.3. Функционирование экстремальной системы управления в динамических режимах.

3.3.4. Функционирование АСУ в обстановке помех.

3.4. Синтез блока выбора режима функционирования АСУ.

3.5. АСУ при измерении температуры газа.

3.6. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Синтез верхнего уровня управления газовыми потоками конвертерного передела.

4.1. Структурная схема системы управления верхнего уровня.

4.2. Имитационная модель газоходной системы конвертирования.

4.3. Выводы по главе 4.

В настоящее время на отдельных переделах промышленных предприятий цветной металлургии широко применяются конвертерные процессы, как в вертикальных, так и горизонтальных агрегатах. К достоинствам плавок в них относятся: высокая производительность, относительная простота конструкции, многолетний опыт работы и др. Существенными недостатками конвертеров являются: периодичность их работы, трудность улавливания конвертерных газов связанную с конструкцией агрегата. Последний недостаток особенно остро чувствуется при применении вертикальных конвертеров, так как фурма опускается сверху через его горловину. [13, 24, 49,91]

От эффективности работы газоходной системы конвертерного производства зависит рентабельность последнего[100]. Это обусловлено необходимостью значительного разбавления серосодержащих конвертерных газов так как в противном случае может возникать выброс диоксида серы в цех, что нарушает экологические нормы и технику безопасности и на фоне пристального внимания общественности и контролирующих органов государства к проблеме снижения выбросов в атмосферу промышленными предприятиями, приводит к значительным убыткам [33]. Снижение рентабельности заставляет предприятия цветной металлургии искать замену конвертерным процессам и модернизировать производство. Эксплуатация газоходной системы конвертеров характеризуется низкими технико-экономическими показателями, к которым относятся: неконтролируемый выброс конвертерных газов при низких разрежениях в газоходе во время переходных процессов (загрузка материала, изменение положения фурмы и др.) и низкие концентрации сернистого ангидрида в газе во время стационарных режимов технологического процесса (продувка расплава) [1]. Повышение эффективности работы газоходной системы является весьма актуальной задачей, решение которой возможно путем создания автоматической системы управления АСУ газовым потоком конвертерного производства, практически исключив человека из процесса управления [8]. Однако, на производстве отсутствуют научно-обоснованные технические решения по созданию указанной автоматической системы, учитывающей технологические особенности конвертирования [49, 4].

Исследования, представленные в данной работе, выполнялись в рамках перечня научных направлений Российской Федерации: «Энергосбережение», «Компьютерное моделирование» и «Снижение риска и уменьшение последствий природных и техногенных катастроф»; а также в рамках Гранта РФФИ «Поддержка ведущих научных школ» (проект № 00-15-99070л); научных направлений: 6.30.022 «Исследование теоретических основ и разработка экологически безопасных ресурсосберегающих процессов комплексной переработки металлосодержащего сырья и продуктов» (20022004) и 6.30.021 «Исследование теоретических основ, разработка ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий с применением компьютерного моделирования в производстве цветных металлов» (20052007).

Основные результаты исследований заключаются в следующем:

- построена математическая модель процесса транспортирования конвертерных газов через газоход как объекта управления;

- произведено обоснование возможности применения предложенной структуры и алгоритмов автоматической системы управления газоходной системой конвертерного передела в рамках цеха.

- разработана инженерная методика расчета оптимальных параметров регулирующего устройства и, в соответствии с ней, произведен синтез системы управления разрежением в газоходной системе конвертерного производства;

- сформулированы принципы формирования критериальной функции характеризующей качество управления газовым режимом конвертерного производства для экстремальной системы управления и произведен синтез последней;

По итогам выполнения диссертационной работы были получены следующие научные и практические выводы:

1. для управления газовыми потоками конвертерного передела целесообразно применять адаптивную систему управления, декомпозиция которой по уровням иерархии произведена по структурному признаку: линейные алгоритмы - нижний уровень управления, экстремальные - средний уровень и алгоритмы оперативного управления - верхний уровень;

2. синтез оптимальных параметров устройства управления разрежением в газовом тракте целесообразно производить по предложенным соотношениям, связывающим минимум интеграла квадрата ошибки при ограничении на перерегулирования с параметрами объекта управления;

3. для дискретной экстремальной системы управления газовыми потоками конвертерного передела целесообразно применять предложенный алгоритм управления;

4. формирование критерия эффективности функционирования газоходной системы для экстремальной системы управления целесообразно проводить по разработанной методике.

Ожидаемые эффекты от внедрения результатов исследования:

1. повышение содержания диоксида серы в конвертерных газах, поступающих на сернокислотное производство, с 3-8% до 10-15%;

2. экономия электроэнергии более 3500 МВт час в год;

3. уменьшение выбросов сернистого ангидрида в цех и окружающую среду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В диссертационной работе содержится новое решение актуальной научно-технической задачи, связанной с повышением экономической и экологической эффективности утилизации газовых отходов конвертерного передела при помощи автоматического управления газовыми потоками.

1. Анашкин А.С. Синтез системы оптимального управления газовымрежимом горизонтальных конвертеров / диссертация СПб, СПГГИ, 2002.

2. Анашкин А.С., Власов К.П., Гальнбек А.А. «Оптимальное управлениегазовым режимом конвертеров»/сборник трудов МИСиС, 2000 г.

3. Анашкин А.С., Власов К.П. Теория автоматического управления:специальные методы. Изд-во СПГГИ, 2001г.

4. Анашкин А.С. Исследование возможностей автоматической оптимизациигазового режима вертикальных конвертеров с использованием нечеткой логики/ отчет по НИОКР СПб, ООО «Технорос» 2001.

5. Анашкин А.С., Власов К.П. и др. «Автоматизированная системауправления газовым режимом конвертерной установки»/сборник трудов ХПИ, Харьков 1999г.

6. Аникин М.К. Выбор оптимальных параметров ПИ-регулятора //

7. Полезные ископаемые России и их освоение: Записки горного института, Том №159, 2004 г., СПб: СПГГИ, с.137-139.

8. Аникин М.К. Экстремальная система управления газоходной системойконвертера // Полезные ископаемые России и их освоение: Записки горного института, Том №167, 2006 г., СПб: СПГГИ, с.204-206.

9. Аникин М.К. К вопросу управления газоходной системой конвертерногопроизводства с целью снижения выбросов // Материалы Уральской горнопромышленной декады, 2004 г., Екатеринбург: УГГГА, с. 421-424

10. Аникин М.К. Способ управления газовым режимом конвертерногопередела цветной металлургии /М.К.Аникин, К.П.Власов.// патент РФ №2297463, бюл. №11, 2007 г.

11. Анхимюк B.JI. Теория автоматического управления, М., «Высшая школа», 1968.

12. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. 767 с.

13. Бир С. Кибернетика и управление производством. М. 1965г.

14. Брянцев Я.В. и др. Опыт интенсификации и модернизации оборудования конвертерных переделов на предприятиях цветной металлургии М 1975 107с

15. Власов К.П. Методы научных исследований и организации эксперимента: учебное пособие СПГГИ Санкт-Петербург 2000. 120с.

16. Власов К.П. Абраменко Г.И. и др. Микропроцессоры в системах управления процессами обогащения М. Недра, 1992 г.

17. Власов К.П. Основы автоматического управления технологическими процессами обогащения угля. М. Недра 1985г.

18. Власов К.П. Моделирование системы управления режимом работы газового тракта / К.П.Власов, М.К.Аникин // Цветные металлы №10 2006 г. с. 77-80.

19. Власов К.П. Теория автоматического управления: Учебное пособие / К.П.Власов, М.К.Аникин// СПГГИ, СПб, 2004 г. 99с.

20. Галактионов А.И. Основы инженерно-психологического проектирования АСУТП. М. 1987г.

21. Гальнбек А.А. Водовоздушное хозяйство металлургических заводов. ЛГИ. 1974г.

22. Гальнбек А.А. Гидроаэромеханика в металлургическом производстве: учебное пособие ЛГИ Ленинград 1991. 200 с.

23. Гречко А. В.,. Мечев В. В и др. Новое в технологии и аппаратуре конвертирования штейнов Обзорная информация, Вып 2 М 1987 44 с.

24. Гальнбек А.А и др. Расчеты пирометаллургических процессов и аппаратуры цветной металлургии Челябинск Металлургия. 1990г.

25. Гальнбек А.А. Гидроаэромеханика в металлургическом производстве. ЛГИ. 1991г.

26. Гейлер Л.Б. Введение в теорию автоматического управления. Минск. «Наука и Техника». 1967г.

27. Глинков Г.М., Климовицкий М.Д. Теоретические основы автоматического управления металлургическими процессами. М,: Металлургия. 1985г.

28. Голубь А.П., Кузнецов Б.И. и др. Системы управления электроприводами. Киев, УМК ВО. 1992г.

29. Гольдфарб Л.С. Теория автоматического управления. М, «Высшая школа», 1969г.

30. Гречко А.В. и др. Новое в технологии и аппаратуре конвертирования штейнов. М. ЦНИИдветмет экономики и информации. 1987г.

31. Гузенко А.И. Основы теории автоматического управления, М.: «Высшая школа», 1967г.

32. Джорж Ф. Основы кибернетики. М.: «Радио и связь» 1975г.

33. Джонсон Р.Е. и др. Обзор мировой практики использования конвертеров в производстве меди. М.: ЦНИИцветмет экономики и информации. 1989г.

34. Диомидовский Д.А., Шалыгин Л.М., Гальнбек А.А., Южанинов И.А. Расчеты пиропроцесов и печей цветной металлургии. М., «Метеллургия», 1963г.

35. Диомидовский Д.А. Печи цветной металлургии. М.: Металлургия, 1970,- 460 с.

36. Емельянов А.И., Капник О.В. Проектирование систем автоматизации технологических процессов М: Энергоатомиздат 1983 - 399 с.

37. Емельянов С.В. Системы автоматического управления с переменной структурой, М., «Наука» 1967.

38. Жуховицкий А.А. Физико-химические основы металлургических процессов, М.: «Металлургия», 1973г.

39. Зубов В.Н. Математические методы исследования систем автоматического регулирования, Судпромгиз, 1959г.

40. Исаченко В.П. Теплопередача, М.: «Энергия», 1969г.

41. Калмаков А.А., Кувшинов Ю.Я., Романова С.С., Щелкунов С.А. Автоматика и Автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции: учебник для вузов, М Стройиздат 1986 479 с.

42. Калман Р. Очерки по материалам теории систем, М., «Мир», 1990г.

43. Каслей Г.Е. и др. Детальный анализ конвертерных операций с целью улучшения производительности конвертеров завода Маунт Айза. М.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 1989г.

44. Кожеуров В.А. Статистическая термодинамика. М.: «Металлургия», 1975г.

45. Козлов В.Н. Вычислительные методы синтеза систем автоматического управления, М., 1995г.

46. Колесников А.А., Последовательская оптимизация нелинейных автоматических систем управления, М.: «Энергоатомиздат», 1989г.

47. Колмогоров А.Н. Элементы теории функций и функционального анализа, М.: «Наука», 1987г.

48. Костенко М.П., Пиотровский JI.M. Электрические машины, М, «Энергия», 1965г.

49. Котов К.И. Промышленные системы автоматизации металлургических агрегатов. М. Металлургия, 1980г.

50. Краткий справочник физико-химических величин, под редакцией А.А. Равделя и Н.М. Пономаревой JT-д, «Химия», 1983г.

51. Краткий технический справочник, под редакцией проф. Зиновьева. Москва-Ленинград, Гос.издательство технико-теоретической литературы, 1949г.

52. Косаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии -М: Химия 1971.-784 с.

53. Крутов В.И. Основы теории автоматического регулирования М., «Машиностроение» 1984г.

54. Куфнер А. Нелинейные дифференциальные уравнения. М.: «Наука»,1988г.

55. Ли Э и др. Основы теории оптимального управления., М.: «Наука», 1982г.

56. Лисиенко В.Г. Улучшение топливоиспользования и управление теплообменом в металлургических печах М.: «Металлургия», 1988г.

57. Лукас В.А. теория автоматического управления. М.: Недра, 1990г.

58. Лыков А.В. Исследования по теплопроводности. Минск, «Наука и техника», 1987г.

59. Максимов Ю.М., Рожков И.М. математическое моделирование металлургических процессов. М. Металлургия, 1976г.

60. Максимов Д.Б. Технологическая инструкция процессов сушки, плавки и конвертирования медных концентратов в металлургическом цеху Комбината «Североникель» ТИ 05746371-07-01-2000, Мончегорск 2000 200с.

61. Максимов Д.Б. Сгущение, сушка, плавка медного концентрата и конвертирование медных штейнов в металлургическом цехе; технологическая инструкция Мончегорск 2002 170 с.

62. Металлургическая теплотехника. Теоретические основы., под научной редакцией проф. Д.н.т. В.А. Кривандина, М., «Металлургия», 1986г.

63. Мучник Г.Ф. Методы Теории теплообмена. М.: «Высшая школа»,1974г.

64. Набойченко С.С. и др. Процессы и аппараты цветной металлургии. Екатеринбург,УГТУ, 1977г.

65. Назарчук М.М. Течение газа в каналах при наличии теплообмена. Киев, АН УССР 1963г.

66. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача, М.Высшая школа, 1975г.

67. Нелепин Р.А. Алгоритмический синтез нелинейных систем управления, ЛГУ, 1990г.

68. Нестеров Ю.И., Тохтабаев Г.М. «Ситуационное управление технологическими операциями конвертерного участка металлургического цеха»/ «Кибернетика и автоматика» КазПИ, Алма-Ата, 1978г.

69. Нестеров Ю.И., Тохтабаев Г.М., Скормин В.А. Кибернетика и автоматика, выпуск 7, 1978 с 78- 85.

70. Ордынцев В.М. Автоматическое регулирование металлургических процессов, М.: «Машгиз», 1960г.

71. Основы металлургии, под редакцией Н.С. Грейвера, т.1 и т.2, Металлургиздат, 1961г.

72. Плискин Л.Г. Оптимизация непрерывного производства, М.: «Энергоатомиздат», 1990г.

73. Понтрягин Л.С. Математическая теория оптимальных процессов. М.: «Наука», 1969г.

74. Пугачев B.C. Основы статистической теории автоматических систем управления, М., «Машиностроение», 1985г.

75. Пугачев B.C. Основы автоматического управления, М., «Наука», 1988г.

76. Пыжов С.С., Макарова С.Н. Автогенные процессы производства тяжелых цветных металлов за рубежом. М.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 1981г.

77. Рахматулин Х.А. Газовая динамика М : Высш. Школ. 1965. - 722 с.

78. Романов В.А. Автоматизация типовых производственных процессов цветной металлургии, ЛПИ, 1989г.

79. Рудаков В.В. Синтез электроприводов с последовательной коррекцией, М.: «Энергия», 1989г.

80. Сильвестров А.Н. Идентификация и оптимизация автоматических систем, М.: «Энергоатомиздат», 1987г.

81. Сладков С.П. Автоматизация и телемеханизация газового хозяйства М Стройиздат 1977 - 293 с.

82. Смышляев П.П. Управление технологическими процессами. ЛГУ, 1989г.

83. Спесивцев А.В. и др. «Математическое моделирование процессов при переработке медно-никелевого сырья»/Известия ВУЗов, Цветная металлургия, 1985г., №5

84. Спесивцев А.В. Применение математической статистики в металлургической практике. Издательсвтво КГУ, Норильск, 1987г.

85. Спесивцев А.В., Метев В.В. «Влияние физико-химических свойств расплавов на их взаимодействие с газовыми струями»/Сборник трудов НВИИ,№15, 1972г.

86. Стрекаловский Г.Б., Спесивцев А.В. «О взаимодействии погруженной струи с жидкостями»/Известия ВУЗов. Цветная металлургия. 1973г., №6

87. Табак Д. Оптимальное управление и математическое программирование, М.: «Наука», 1975г.

88. Технологическая инструкция передела конвертирования меднониклевого штейна, под редакцией нач. мет. Отделения ЦЗЛ ГМК «Печенганикель» к.т.н. Я.Л.Серебряного.

89. Тихонов О.Н. Простые математические модели металлургических процессов, ЛГИ, 1979г.

90. Тохтабаев Г.М. и др. «Иерархическая система управления комплексом технологических процессов шихтоподготовки и отражательной плавки»/ «Кибернетика и автоматика» КазПИ,Алма-Ата, 1973г.

91. Тохтабаев Г.М., Палыпин В.П. «К оптимальному управлению процессом конвертирования медных штейнов»/ «Кибернетика и автоматика» КазПи, Алма-Ата, 1975г.

92. Усков А.А., Круглов В.В. Современные принципы построения систем управления, учебное пособие Смоленск 140 с.

93. Фельдбаум А.А. Основы теории оптимальных систем управления, М.: «Наука», 1966г.

94. Филатов Ю.М. Плавильный участок № 2 плавильного цеха медного завода/ технологическая инструкция. Норильск ОАО «Норильская горная компания» 2000.

95. Фудживара Ю. и др. Осуществление конвертерного процесса на медеплавильном заводе Саганосеки. М.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 1984г.

96. Хайдер Э. и др. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений, М.: «Мир», 1990г.

97. Цейдлер А.А. Анализ практики конвертирования штейнов на заводах фирмы Kennecott Cooper. М.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 1987г.

98. Цейдлер А.А. Мероприятия по улучшению работы конвертеров, М.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 1991г.

99. Цейдлер А.А. Технические показатели конвертерных переделов медеплавильных и никелевых зарубежных заводов. М.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 1981г.

100. Цемехман JI. ГЦ., Рябко А. Г., Лукашов Л. П. Цветные металлы 1998 № 2 с 26-27.

101. Черкасов Б.А. Автоматическое регулирование ВРД, М.: Машиностроение,1975г.

102. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры М Энергия -422 с.