автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Советующая интеллектуальная система управления процессом обжига цементного клинкера для интенсификации работы вращающихся печей

На правах рукописи

Р

Нусс Максим Владимирович

СОВЕТУЮЩАЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОБЖИГА ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РАБОТЫ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧЕЙ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство)

05.17.11 - Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

и -5 1

Белгород 2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова»

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, доцент Трубаев Павел Алексеевич

доктор технических наук, профессор Классен Виктор Корнеевич

Еременко Юрий Иванович,

доктор технических наук, профессор, Старооскольский технологический институт им. A.A. Угарова (филиал) ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», заведующий кафедрой автоматизированных и информационных систем управления

Кривобородов Юрий Романович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева»,

профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов

ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»

Зашита состоится 24 декабря 2014 г. в 12.30 час. на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова» (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 128).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова», http://gos_att.bstu.ru.

Автореферат диссертации разослан 15 ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ^ ) Семикопенко И.А.

1РОССИЙСКАЯ I ГОСУДАРСТВЕННАЯ ! БИБЛИОТЕКА

: _г Ц15_

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Самой значительной статьей в себестоимости цемента являются затраты на топливо для обжига клинкера. Эти затраты резко возрастают в условиях нестабильного режима работы вращающихся печей. Нестабильность режима также ведет к снижению активности клинкера и выпуску некондиционного клинкера. Поэтому, для интенсификации процесса обжига, снижения себестоимости и повышения активности клинкера необходимо обеспечить наиболее стабильную работу печи в заданном режиме, определенном для данных технологических условий обжига с учетом опыта эксплуатации печей и результатов промышленных испытаний.

Вращающиеся печи являются сложными объектами с большим количеством взаимосвязанных технологических величин, характеризующих сложные тепломассообменные, физико-химические и химические процессы обжига цементного клинкера. Поэтому для анализа и стабилизации технологического режима работы вращающихся печей необходима своевременная и по возможности более полная информация о процессах протекающих внутри агрегата, по которой необходимо проводить анализ работы всей печи и определять технологически необходимые действия. Решение задачи интенсификации процесса обжига возможно только на базе научных знаний о технологии цемента, а в связи со сложностью задачи ее эффективное решение требует использования информационных технологий.

Таким образом, создание информационной системы для анализа технологического состояния вращающихся печей и определения необходимых управляющих воздействий является актуальной задачей.

Цель работы заключается в повышении эффективности обжига цементного клинкера за счет стабилизации режимов, обеспечиваемой информационно-советующей системой, построенной на базе нечеткой логики.

В соответствие с поставленной целью определены следующие задачи:

1. На основе современных представлений и научных знаний разработать основные положения управления процессом обжига цементного клинкера для стабилизации теплотехнологического состояния агрегата.

2. Проанализировать влияние соединений щелочных металлов на распределение необходимого количества теплоты по печи и на режим обжига.

3. Разработать модель теплотехнологической работы печи и продукционные правила вывода для принятия решений об управлении процессом обжига. Произвести адаптацию нечеткого логического вывода применительно к технологии получения клинкера. Разработать способы нечеткого управления печью в переходных режимах, в критических и аварийных ситуациях.

5. Разработать информационную советующую систему, предназначенную для контроля и анализа технологического состояния цементной вращающейся печи и выдачи рекомендаций по необходимым управляющим воздействиям.

Научную новизну работы составляют

- способы анализа, стабилизации и изменения технологического режима работы цементных вращающихся печей, предназначенные для использования

в интеллектуальных системах интенсификации процесса обжига и основанные на системном подходе к анализу технологической и теплотехнической работы печи;

- методика дуального нечеткого управления теплотехнологическим режимом работы вращающейся печи, состоящая из двух этапов: оценка вектора состояния технологических зон печи и нахождение требуемых воздействий по состоянию этих зон с помощью алгоритма нечеткого вывода (по процедуре «фаз-зификация - агрегирование - активизация - аккумуляция - дефаззификация»);

- модель стабилизации работы печи, построенная на нечетких зависимостях между технологическими величинами, которая в соответствии с алгоритмом компенсирования дополняется детерминированными зависимостями (учетом изменения свойств шлама) и ограничениями (по теплонапряжению, коэффициенту избытка воздуха, положению зоны горения факела и содержанию щелочных соединений в пыли электрофильтров).

Практическая значимость работы состоит в

- создании интеллектуальной советующей системы, предназначенной для контроля и анализа технологического состояния цементной вращающейся печи и определения требуемого управления, позволяющего стабилизировать режим работы вращающейся печи и интенсифицировать процесс обжига цементного клинкера;

- разработке нечеткой продукционной системы, которая позволяет оценивать состояния зон печи в зависимости от значений технологических величин, характеризующих эти зоны;

- разработке нечеткой продукционной системы, где антецедентами являются оценки теплового состояния агрегата, а консеквентами управляющие воздействия для стабилизации теплотехнологического режима работы;

- анализе причин накопления циркулирующих в печи щелочей и использование оценки концентрации щелочных соединений в контроле эффективности распределения подаваемой теплоты по длине печи.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационные исследования соответствуют п. 4, 15 паспорта специальности 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство)» и п. I, 2 паспорта специальности 05.17.11 -«Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов».

Апробация работы. Результаты работы представлены на Международных конференциях в Москве (1996), Харькове (1998), Белгороде (1999, 2001 г.), Барнауле (1997), Пензе (1997), Губкине (2010 г.), Саратове (2010 г.), доложены на четырех Международных конференциях «Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве» (Старый Оскол, 1999 г.), "Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века" (Белгород, 1998 г.), «МКХТ-98» (Москва, 1998 г.) и «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (Белгород, 2010 г.).

Публикации. Основные положения работы изложены в 24 публикациях, в том числе в пяти рецензируемых журналах.

Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014612097 от 18.02.2014.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа объемом 186 страниц состоит из пяти глав, содержит 42 рисунка и 48 таблиц, библиографический список включает 130 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, кратко сформулированы цель и задачи исследований, отмечены научная новизна, практическая значимость и внедрение результатов работы, сформулированы основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе «Моделирование технологической работы цементной вращающейся печи (современное состояние вопроса)» рассмотрены особенности производства цемента и различные способы математического описания и управления этим технологическим процессом.

При управлении вращающейся печью необходимо обеспечить передачу материалу по длине печи строго определенного количества теплоты, требуемой для протекания процессов клинкерообразования, с учетом состава и свойств сырья, а также циркулирующих в результате пылевозврата примесных всществ. Создание информационной системы для анализа и регулирования режима обжига является актуальной задачей и требует глубоких технологических знаний, а сами системы должны основываться на научных представлениях о процессе обжига. В связи со сложностью объекта детерминированное описание работы цементной вращающейся печи мокрого способа в настоящее время создать невозможно, а описание работы печи на основании взаимного влияния отдельных технологических величин не эффективно.

Большой вклад в решение задач управления и интенсификации цементных вращающихся печей внесли отечественные и зарубежные ученые: В.В. Кафиров, В.Г'. Рубанов, В.З. Магергут, П.В. Беседин, Г.М. Гофман, Е.Г. Древиц-кий, Д.П.Вент, \V.Duds, Ь. Р. Но1шЫас1 и др.

Имеющийся опыт позволяет описать основные зависимости между технологическими величинами, характеризующими режим обжига (входными и регулируемыми) и необходимыми управляющими воздействиями. С другой стороны все разработанные методы анализа режимов технологической работы печей и управления не нашли широкого распространения на заводах из-за не универсальности используемых детерминированных зависимостей.

В настоящее время при создании математических моделей для сложных промышленных объектов широкое распространение получила теория нечетких множеств. Информационные системы на основе нечеткой логики для цементных вращающихся печей используются с 1979 года и имеют преимущества перед системами на основе математического моделирования и детер-

минированных зависимостей. Системы на основе нечеткой логики применялись такими фирмами как: F. L. Smidth, Polysius, KHD, Siemens. В тоже время, необходима дальнейшая работа для повышения эффективности использования систем с нечеткой логикой, так как они имеют ряд недостатков и управление печами мокрого способа производства до сих пор производится операторами.

Во второй главе «Способы стабилизации заданного режима обжига для использования в информационных системах» рассмотрены основные положения для создания алгоритма информационной системы.

В главе производится анализ причин выхода процесса обжига из режима, проведена их группировка, предложены способы стабилизации технологического режима работы вращающейся печи.

Стабилизацию предлагается основывать на четырех положениях.

/. Исключение причинности процесса (первопричины выхода из заданного режима работы)

Степень и характер возмущения определяются по тепловому состоянию печи, то есть необходимое стабилизирующее воздействие не зависит от первопричины возмущения. Это положение полностью подтверждается в реальных производственных условиях, если ситуация не является аварийной или критической. Положение позволяет формализовать продукционные правила и значительно уменьшить их количество.

2. Декомпозиция объекта

Печь разбивается на две-четыре технологических частей (зон), и управляющие воздействия определяются по вектору состояний этих частей. Таким образом, множество возможных состояний цементной вращающейся печи формируется на основе морфологического анализа, когда исходная задача разбивается на ряд независимых подзадач. Исходя из этого принципа, поддержание необходимого режима обжига заключается в перераспределении теплоты между технологическими частями печи.

Декомпозиция печи позволяет разделить задачи оценки состояния зон и определения управляющих воздействий, в результате нечеткие продукционные правила управления не будут зависеть от конкретного набора регистрирующих приборов на печи. Положение делает базу правил нечетких продукций более структурированной, полностью описывающею объект управления что позволяет избежать избыточности и противоречивости.

3. Разделение правил управления для компенсации возмущения и для перехода в новый режим работы

Изменение входных величин приводит к выходу печи из нормального режима работы. Выдвинуто предположение, что количество теплоты, подаваемой в технологическую зону печи, складывается из теплоты, необходимой для возмещения потери теплоты в зоне и теплоты для компенсации текущего изменения технологических величин (рис. 1).

Рис. 1. Разделение правил управления для компенсации возмущения и для перехода в новый режим работы

Общее количество необходимой теплоты (0 можно описать следующим выражением:

О = Я + <?св + <7н >

где ^ - количество теплоты в предыдущий момент времени; - количество теплоты, необходимой для возмещения потери теплоты (потери теплоты за счет изменившихся свойств шлама); - количество теплоты для компенсации текущего изменения технологической величины (потери теплоты, рассчитываемые по нечеткой модели).

Потери теплоты за счет изменившихся свойств шлама представим как:

где АБ - изменения свойств шлама (5 - множество, включающее статьи химического состава, влажность и т.д.) ; к - коэффициент учета свойств шлама.

Потери теплоты, рассчитываемые по нечеткой модели определяются следующим выражением:

= А' • Л = А' • (А -> В), где А' - входное нечеткое множество; Я - матрица нечеткого отношения; А -условие ядра нечеткой продукции; В - заключение ядра нечеткой продукции; • - композиционное правило нечеткого вывода; —> - знак нечеткой импликации.

Это положение позволяет в информационной системе произвести объединение нечеткой модели и детерминированных зависимостей.

4. Постоянство теплового режима печи

Выделен допустимый интервал изменения объемного геплонапряжения (объемной удельной тепловой мощности печи), при котором следует поддерживать постоянную производительность печи. Вне этого интервала поддерживается постоянный тепловой режим с изменением производительности-.

Применение этого положения в информационной системе позволит снизить вредное влияние на работу печи переходных процессов, уменьшить удельный расход топлива на обжиг, а также предотвратить ситуации, связанные с недожогом топлива и работой печи в неэкономичном режиме.

Предложенные положения обеспечивают теоретическую основу схемы управления процессом обжига.

В главе также произведен анализ влияния щелочных компонентов на технологический режим обжига.

Состав сырьевого шлама является одной из основной технологической величиной, влияющей на режим обжига, особенно при выпуске клинкера из нетрадиционных видов сырья, содержащих примеси. В работе используется предположение, что стабилизация режима обжига заключается в правильном распределении подаваемой теплоты по длине печи в зависимости от необходимого количество теплоты для нагрева материала и реакций клинкерообра-зования, с учетом возгонки и конденсации примесных соединений.

Примесные соединения, содержащиеся в небольшом количестве, оказывают значительное влияние на режим обжига клинкера. Особенно характерно такое влияние для щелочных соединений, которые накапливаются в печи и ускоряют процессы образования низкоосновных силикатов, смещая положения зон в сторону холодного обреза печи.

На основе экспериментальных данных, полученных В. К. Классеном, было рассмотрено влияние щелочей на технологические процессы, протекающие в печном агрегате. Определена теплота, затрачиваемая на возгонку щелочных соединений. Для этого составлялись шихты состоящие из 80% СаСОз и 20% одного из щелочных соединений (К2504, К2С03, К'а2804, Ыа2С03). Затем проводилось сравнение пиков кривых дифференциально термического анализа (ДТА), соответствующих возгонке исследуемых соединений (рис. 2). Потери массы, соответствующие термическим пикам, совпадали с исходной массой добавленных щелочей.

1. 'С

400 900 1400

I, 'С

400

900 1400

Рис. 2. Тепловые эффекты возгонки щелочей и декарбонизации СаСОэ:

1-СаСОз (80 масс %); 2-К2С03 (20 масс %); 3-К2504 (20 масс %); 4-№2С03 (20 масс

%); 5-№2804 (20 масс %)

Определение энтальпии возгонки осуществлялось по следующей методике:

1. Определялись отношения площади пика термической кривой к массе соединения, то есть теплота реакции Нр.

2. Рассчитывалось отношение Нр щелочных соединений к Нр карбоната кальция.

3. По известной из справочных данных энтальпии реакции декарбонизации определялось значение энтальпии возгонки щелочных соединений по формуле:

Н = к • //саСОЗ >

где Н - энтальпия возгонки щелочного соединения; к - отношение Нр щелочных соединений к Нр карбоната кальция; НГасоз - стандартная энтальпия реакции декарбонизации. Результаты расчетов представлены в табл. 1. Для определения степени влияния щелочей рассчитаны позонные тепловые балансы для двух печей Белгородского цементного завода с разным содержанием щелочей (табл. 2). Для расчета использовались характеристики материала, отобранного по длине печей. Для сравнения в таблице приводятся данные расчета печи, в которой процессы протекают согласно считающимися классическими представлениями В. Н. Юнга, с химическим составом сырья Белгородского завода.

Таблица I

Энтальпии возгонки и разложения щелочных соединений_

Соединение Нр к Энтальпия Н

кДж/моль кДж/кг

К2804 139,2 1,18 210,5 1208

К,С03 76,2 0,64 114,2 826

№2С03 67,0 0,57 101,0 953

Ыа^О., 158.0 1,34 238,3 1678

Таблица 2

Затраты теплоты на преобразование, кДж/кг клинкера_

Печь Температурный интервал зон, °С Сумма

20+100 100+750 750+1100 1100+1450 1450+1200

№4 2533 1635 2088 435 -367 6324

№2 2701 1502 1992 294 -367 6121

По В.Н. Юнгу 2701 1502 2187 -352 | 352 -367 6023

После сравнения режимов работы печей и анализа причин накопления циркулирующих щелочей доказано, что неэкономичная работа связана с неверным режимом обжига, то есть с нерациональным распределением подаваемой теплоты по печи, и не зависит от причинности изменения технологических процессов по длине печи.

Выбирая технологически правильный режим обжига, можно частично нейтрализовать влияние щелочей и вывести их из циркуляции. Неверный в текущей ситуации режим обжига (короткий напряженный факел, концентрирующий температуру на коротком участке зоны спекания либо затянутая зона горения) может являться причиной накопления щелочей в материале печи и технологическими осложнениями работы печного агрегата.

Таким образом, анализ изменения содержание щелочных оксидов (например, в возвратной пыли из электрофильтров) позволяет корректировать работу печного агрегата, контролировать характер горения топлива.

Произведен анализ технологических величин цементной вращающейся печи мокрого способа производства, выделены и описаны величины, характеризующих процесс обжига.

Цементная вращающаяся печь сложный объект управления описываемый множеством технологических величин. В связи со сложностью и разнообразием процессов, протекающих в печном агрегате, количество контролируемых величин (входных и регулируемых) достигает 30...40, а управляющих воздействий - 10... 15. Наилучшие значения технологических величин, характеризующих работу печного агрегата, индивидуальны для различных печей. Таким образом, поддерживаемый технологический режим должен устанавливаться отдельно для каждой печи, а для универсальности методов управления необходимо использовать отклонения от заданного режима.

Для технологических величин в большинстве случаев используются относительные значения, что делает возможным создание универсальных правил. Но в ряде случаев наилучшие значения жестко заданы, и тогда необходимо определять абсолютное значение величины. Это относится к положениям форсунки относительно материала, форсуночного дросселя и завихрителя. Представление этих величин в виде абсолютных значений позволяет осуществить возврат зоны горения факела в наилучшую позицию после ликвидации возмущения.

Технологические величины системы управления представлены в виде лингвистических переменных. Определены значения ряда регулируемых величин печи № 3 ОАО «Осколцемент»: температура отходящих газов, температура в зоне подогрева, нагрузка на главный привод печи, преобладающий размер гранул клинкера, видимость в головке печи, расход топлива, разрежение в пыльной камере, положение дросселя горелки, положение лопаток завихрителя горелки.

•| М(х) ......... ...............................................Значения технологических величин

Л были получены по результатам анализа / работы печи в течение двух месяцев, ф,. Предложено два вида функций при-г | надлежности. Колоколообразная и . ' гауссова функции были адаптированы ____д Ь х^ • х ДЛЯ возможности интервального зада-

°175 185 *195 205 215 225 НИЯ ГерМ°В И наиба,Се ответствуют , . данным экспертных опросов машини-

Рис 3. Функции принадлежности: „ . г .. _ г

1 - функция принадлежности вида 1; стов печей (РИС' 3)' Д™ кРаиних теРм" 2-функция принадлежности видаII; множеств используются I н Ъ образа, Ь - границы интервала полного соот- ные функции принадлежности, ветствия численных значений

В третьей главе «Технологические зависимости для процесса обжига, выраженные в нечетком виде», предложена структура модели процесса обжига.

В соответствии с принципом декомпозиции печной агрегат разбивается на 2...4 части:

-холодную часть, состоящую из зон сушки и подогрева;

- зону декарбонизации (которая может быть выделена при наличии на печи газоанализатора);

- горячую часть, включающую зоны декарбонизации и спекания или только зону спекания;

-зону охлаждения, состоящую из зоны охлаждения печи и клинкерного холодильника.

Состояние каждой части представлено лингвистическими переменными и определяется по значениям технологических величин, контролируемых на печи.

Количество технологических частей на которые разбивается печной агрегат зависит от набора имеющихся измерительных датчиков. При необходимости горячая часть, зона декарбонизации и зона охлаждения объединяются в одну часть.

Исходя из полученного состояния, управляющимивоздействиями производится перераспределение теплоты между зонами или изменяется количество теплоты, подаваемой в печь (рис. 4).

Оценка состояния технологических частей печи и определение управляющих воздействий происходит с использованием системы нечеткого вывода согласно разработанной базе продукционных правил. Данные множества правил являются, по сути, нечеткими технологическими зависимостями, характеризующими процесс обжига. Продукционные правила разрабатывались по результатам промышленных испытаний, анализа литературных данных, а так же исходя из практического опыта работы на заводе.

Контролируемые Технологическое Основные Управляющие

величины состояние печи управляющие элементы

воздействия горелки (ВРГ)

Рис. 4. Схема контроля и стабилизации технологического режима работы цементной вращающейся печи и колосникового холодильника

Пример продукционного правила

Определение состояния технологической части печи:

ЕСЛИ

«Температура отходящих газов» = «Выше нормы»

И

«Температура в зоне подогрева» = «В норме»,

ТО

«Состояние холодной части печи» => «Несколько перегрета».

Определение значений управляющих воздействий:

ЕСЛИ

«Состояние горячей части печи» = «Остыла»

И

«Состояние холодной части печи» = «В норме»,

ТО

«Расход топлива» => «Несколько увеличить»

И

"Разряжение в пыльной камере» => «Установить в пределах нормы»

И

«Характер горения и профиль факела» => «Интенсивное горение, концентрированный факел».

Предложены продукционные правила для оценки теплового состояния холодной части печи, зоны декарбонизации и горячей части печи. Получены множества правил для различных вариантов наборов технологических величин, имеющихся на отечественных заводах. Все множества правил подтверждаются известными детерминированными зависимостями. Продукционные правила осуществляют привязку информационной системы к конкретным задачам и условиям работы печи. Изменяя базу правил нечеткого вывода, можно корректировать технологическую задачу режима обжига, необходимую технологу цеха, то есть задавать стратегию управления печью

В четверной главе «Особенности технологической работы цементной вращающейся печи» рассматривается система нечеткого вывода, управление в критических и аварийных ситуациях, способы расчета управляющих воздействий и влияние характера изменения величин.

Для реализации нечеткого вывода, применялись алгоритм Мамдани и алгоритм Ларсена, позволяющие использовать предложенную в работе базу продукционных правил. Алгоритм нечеткого вывода производится по процедуре «фаззификация - агрегирование - активизация - аккумуляция - дефаз-зификация».

По вектору состояний технологических частей печи на первом этапе вычисляются основные управляющие воздействия: расход топлива; процент открытия шибера дымососа (либо необходимое разрежение в пыльной камере); характер горения и форма факела.

Величина «характер горения и профиль факела Хф» определяет распределение температуры в зоне спекания, а также режим горения топлива. Предлагается использовать эту величину, а не непосредственно значения, опреде-

ляющие положение управляющих элементов форсунки или горелки. Это объясняется тем. что с точки зрения технологии, задача управления элементами форсунки (горелки) состоит в обеспечении определенного режима горения топлива (интенсивности горения и профиля факела), необходимого в текущей ситуации. Предлагаемый способ позволил создать множества правил для любых типов горелок.

В главе предлагаются ограничения и дополнения нечеткой модели.

Нечеткая модель, несмотря на свои достоинства, не обеспечивает решение всех задач управления обжигом цементного клинкера, поэтому она ограничивается и дополняется детерминированными зависимостями. Алгоритм определения значений управляющих воздействий приведен на рис. 5.

Снвча/ю)

б)

Определение отклонения для компенсации текущего возмущения

(нечеткая модель); _^_

Определение отклонения для компенсации текущего возмущения (нечеткая модель):

Расчет отклонения с учетом изменившихся свойств

шлама (дополнение нечеткой модели):

¿у._

X

Расчет абсолютного значения У = У_ + ЛУ,

Расчет абсолютного значения (принцип управления): У = У_ + ЛУ. ч- АУ,.

Проверка на принадлежность интервалу допустимых значений. Если не принадлежит расчет максимально возможного значения (ограничение нечеткой модели)

Проверка на принадлежность

интервалу долусгимь» значений. Если не принадлежит расчет максимально возможного значения (ограничение нечеткой _модели)_

Рис. 5. Схема определения значения управляющих воздействий:

а - с учетом свойств шлама; б - без учета свойств шлама

Состав и свойства сырьевого шлама является одной из основных технологических величин, влияющей на режим обжига цементного клинкера. Выделено два способа расчета управляющих воздействий: с учетом и без учета свойств шлама. Учет свойств шлама осуществляется по разности тепловых балансов двух режимов работы. При этом используется положение о разделении компенсации возмущения и перехода в новый режим работы.

Оба способа расчета имеют некоторые недостатки. Так, при учете свойств шлама невозможно учесть все факторы (например, изменение пластичных свойств шлама, увеличение запесоченности шлама, увеличение по-

терь через корпус печи и т. д.) и поэтому управляющие воздействия могут быть определены с некоторой погрешностью.

При управлении без учета свойств шлама изменение регулируемых величин может несколько запаздывать, так как его значение меняется только для зарегистрированного изменения теплового состояния печи, без учета инерционности процесса. Последний метод наиболее близок к управлению, осуществляемому машинистом печи. Несмотря на недостатки, первый метод управления является более рациональным, так как заблаговременно реагирует на изменение свойств сырьевой смеси (при своевременном определения состава и свойств шлама).

Управляющие воздействия ограничиваются следующим образом: расход топлива - по объемному теплонапряжению; разрежение в пыльной камере -по коэффициенту избытка воздуха; положение горелки, дросселя и завихри-теля - по положению максимальной температуры корпуса в зоне спекания и содержанию щелочных соединений в пыли электрофильтров.

Определение управляющих воздействий при наличии аварийных и критических ситуаций.

Во время работы печи происходят различные ситуации, связанные с приостановкой или полным прекращением работы какого-либо оборудования. Такие ситуации отнесены к аварийным. Они требуют стандартных действий, а некоторые - предварительной оценки теплового состояния печи.

К критическим относятся ситуации, связанные с невозможностью работы печи в заданном режиме по технологическим причинам (сильный перегрев печи, невозможность дальнейшей работы без выпуска брака). На рис. 6. приведена схема определения управляющих воздействий с учетом возможного наличия этих ситуации. Проверка текущего состояния на принадлежность к невозможным ситуациям и ситуациями, когда необходим перевод печи в режим «тихого хода», определяется мерой нечеткой возможности.

Работа печи при переходе на другой режим обжига.

Часто из-за ограниченности запасов сырья на заводах для выпуска одного и того же цемента используются различные сырьевые шламы, отличающиеся по составу и свойствам, что требует изменения режима работы печи. Поэтому необходим алгоритм плавного перехода из одного режима в другой, при котором осуществлялся бы нормальный обжиг цементного клинкера без перевода печи в режим «тихого хода».

Для плавного перехода из одного режима обжига в другой предлагается составление карты переходного процесса - значения управляющих воздействий в зависимости от времени продвижения материала в печи. Значения воздействий для нового режима обжига являются конечными, а текущие -начальными. Текущие значения управляющих воздействий во время переходного процесса определяются по нечетким правилам (рис. 7).

Получение значений управляющих воздействий

Проверка принадлежности введенного набора множеству невозможных состояний

Расчет состояний технологических частей вращающейся печи

Проверка наличия аварийной ситуации

Проверка принадлежности множества состояний печи множеству состояний, соответствующих режим)' "тихого хода"

Расчет значений управляющих воздействий

(конец')

Рис. 6. Схема определения упрявляющнх воздействий, учитывающая аварийные н критические ситуации

Карта переходного про11всса составляется следующим образом. Задается временной интервал, в течение которого необходимо завершить переход к новому режиму работы, как правило, это время движения материала по печи. Временной интервал разбивается на 2-4 части в зависимости от отличия начальных и конечных значений.

Каждому промежутку (локальному переходному процессу) ставится в соответствие набор заданных значений. При расчете локальных переходных процессов используются положения:

1. Значения управляющих воздействий, характеризующих состояние холодной части печи, должны быть равны конечным через 1-1,5 часа, то есть когда материал с новыми свойствами пройдет зону подогрева.

Набор управляющих воздействий, характеризующих состояние горячей части печи, остается в это время равным начальным значениям.

Да |

1-ый локальный 2-ой локальный переход переход

Рис. 7. Схема изменения управляющих воздействий во время переходного процесса:

а - температура отходящих газов; Ь - нагрузка на главный привод

2. Изменение управляющих воздействий в осуществляется пропорционально изменению времени переходного процесса.

Переход к следующему локальному переходному процессу происходит при выполнении одновременно двух условий: 1) окончание времени предыдущего локального переходного процесса; 2) достижение текущих заданных значений (состояние всех технологических частей печи находится в норме).

Учет характера изменения управляющих воздействий.

Для решения задачи контроля и стабилизации режима работы печей, являющихся динамическими объектами с запаздыванием и инерционностью, необходимо учитывать интенсивность изменения величин. Часто технологически правильно применять управляющие воздействия с некоторым запасом, учитывая также и потенциальное возмущение, которое будет продолжаться в течение управляющего воздействия.

Из анализа экспериментальных данных было принято следующее положение: Значение возмущения пропорциональна скорости изменения состояния технологической части печи. Таким образом, значение возмущения показывает не текущее изменение регулируемых величин, а их значение, вычисляемое с учетом скорости изменения. Поэтому в качестве регулируемых величин в нечеткой модели используется потенциальное значение *пот:

*пот=*1+~Т~ (*2-*l) 4k, шн

где jC|, х2 - начальное значение и значение регулируемой величины в текущий момент времени; to, а>„ - текущая и номинальная (заданная) скорость изменения, относительно которой составлялись лингвистические правила; - коэффициент учета потенциального изменения величины.

Коэффициент g [co„/co; 1], то есть при !;k = 1 потенциальное изменение учитывается полностью, при ^ = ш„/ш не учитывается.

Скорость изменения регулируемой величины со,, часто является величиной с нечетким значением. Для использования <в„ в нечетком виде в качестве словесного представления величины скорости изменения вводится лингвистическая переменная «характер изменения величины». Ее терм-множество состоит из трех значений: «не значительное изменение», «плавное изменение», «резкое изменение». Множество правил строится для терма «плавное изменение», для остальных термов управляющие воздействия определяются по этим правилам, но с учетом скорости изменения величин.

В пятой главе «Информационная система по управлению процессом обжига цементного клинкера» рассмотрена реализация предложенных методов в виде программы, примеры применения советующей системы в управлении вращающейся печью.

По результатам проведенной работы создана компьютерная программа «Expert» (рис. 8). Программа представляет собой советующую систему для машинистов вращающихся печей мокрого способа производства. Она является инструментом технолога цеха «Обжиг» и облегчает разработку и осу-

Рис. 8. Интерфейс программы «Expert»

ществление единообразной схемы управления режимом обжига цементного клинкера. Производя анализ состояния печи, программа представляет информацию в доступном и удобном виде.

По сравнению с субъективным управлением машиниста разработанная система имеет ряд преимуществ: программа охватывает весь спектр имеющейся информации; при определении управляющего воздействия производятся теплотехнические расчеты, дополняющие показания управляющих воздействий; производиться постоянный контроль технологического состояния печного агрегата.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Стабилизация режима обжига заключается в правильном распределении подаваемой теплоты по длине печи. Для стабилизации и изменения технологического режима работы цементных вращающихся печей разработан метод управления, предназначенный для использования в информационных системах. Метод основан на системном анализе технологической и теплотехнической работы печи и содержит четыре основных положения: исключение причинности процесса; декомпозиция объекта; разделение воздействий для компенсации возмущения и воздействий для перехода в новый режим работы; постоянство теплового режима печи. Исходя из предложенных положений схема оценки и регулирования технологического режима работы вращающейся печи состоит из двух этапов: определение вектора теплового состояния технологических частей (зон) печи и определение управляющих воздействий по состоянию этих частей.

2. Щелочные соединения оказывают значительное влияние на режим обжига клинкера, изменяя необходимое распределение теплоты. Выбирая правильный режим обжига, можно частично нейтрализовать влияние щелочей и вывести их из циркуляции. Нерациональный режим обжига - чрезмерно короткий напряженный факел, концентрирующий температуру на коротком участке зоны спекания, а также чрезмерно длинный с частичным недожогом топлива могут являться причиной накопления щелочей в материале печи. В работе произведен расчет энтальпии возгонки щелочных примесей (Ыа2С03, Ыа2504, К2СО), К280^) для условий вращающейся печи. Учитывая изменения содержание щелочных соединений в пыли электрофильтров, можно корректировать работу печного агрегата, контролировать характер горения топлива.

3. Ряд технологических величин печи представляются в виде лингвистических переменных: температура отходящих газов, температура в зоне подогрева, нагрузка на главный привод печи, преобладающий размер гранул клинкера, видимость в головке печи, содержание С02 в отходящих газах, температура вторичного воздуха, расход топлива, разряжение в пыльной камере, положение дросселя горелки, положение лопаток завихрителя горелки. Множества значения переменных были получены по результатам непрерыв-

ного анализа работы печи в течение двух месяцев (печь № 3 ОАО «Осколце-мент»). Определены два вида функции принадлежности, наиболее точно учитывающие особенности процесса обжига.

4. Разработана база продукционных правил системы нечеткого вывода позволяющая оценивать состояния зон печи в зависимости от значений входных величин, характеризующих эти зоны, а также нечеткая продукционная система, где антецедентами являются оценки теплового состояния агрегата, а консеквентами управляющие воздействия для стабилизации теплотехнологи-ческого режима работы. Продукционные правила получены на основе анализа работы промышленных печей, лабораторных экспериментов и литературных источников.

5. Разработан способ определения значений управляющих воздействий, необходимых для стабилизации режима обжига. В предлагаемой схеме модель стабилизации работы печи построенная на нечетких зависимостях между технологическими величинами дополняется детерминированными зависимостями (учетом изменения свойств шлама) и ограничениями (по теплона-пряжению, коэффициенту избытка воздуха, положения зоны горения факела и содержанию щелочных соединений в пыли электрофильтров).

6. Разработан способ управления печью в переходных режимах, использующий нечеткую логику. Способ основан на составлении карт переходного процесса, связывающих изменения технологических величин в зависимости от движения материала. Выделены и описаны стандартные технологические режимы работы печи в критических и аварийных ситуациях. Разработан алгоритм, учитывающий невыполнимые состояния технологических частей печи, наличие аварийных ситуаций и состояний соответствующих режиму «тихого хода».

7. Разработан способ расчета воздействий на режим обжига с учетом характера и скорости изменения управляющих воздействий. В качестве значений управляющих воздействий в информационной системе используются "потенциальные" значения, вычисляемые с учетом скорости и направления изменения. Осуществлена возможность использование характера изменения управляющих воздействий в нечетком виде.

8. Разработана информационная советующая система, предназначенная для контроля и анализа технологического состояния цементной вращающейся печи и выдачи необходимых управляющих воздействий. Применение информационной системы позволит стабилизировать режим работы вращающейся печи и интенсифицировать процесс обжига цементного клинкера.

Основное содержание диссертации изложено в публикациях:

1. Нусс М.В. Управление работой цементной вращающейся печи / М.В. Нусс, П.А. Трубаев, В.К. Классен // Вестник БГТУ. - 2013. - № 1. -С. 61-65.

2. Нусс М.В. Советующая система по управлению цементной вращающейся печью мокрого способа производства / / М.В. Нусс,

П.Л. Трубаев, B.K. Классен // Фундаментальные исследования. - 2013. -Лк 10(8). - С. 1699-1703.

3. Нусс М.В. Управление теплоэнергетическими и теплотехнологи-ческимн агрегатами на основе синтеза нечетких н детерменированных моделей / М.В. Нусс, П.А. Трубаев, В.К. Классен II Научное обозрение. -2013. - № 9. - С. 338-342.

4. Особенности управления многоконтурнымн теплотехнологнче-скнми и теплоэнергетическими агрегатами / М.В. Нусс, П.А. Трубаев, В.К. Классен, A.A. Погонин // Фундаментальные исследования. - 2012. -№ 6. Часть 3. - С. 658-661.

5. Классен В.К. Оптимизация обжига цементного клинкера с использованием информационных технологий/ М.В. Нусс, В.К. Классен // Известия вузов. Строительство. - 2008. -№ 1. - С.34-40.

6. Нусс М.В. Система ведения базы данных по управлению технологическими процессами цементного производства / М.В. Нусс, П.А. Трубаев. // Тез. докл. I Межд. (IX Всесоюзного) совещания по химии и технологии цементов 27-30 мая 1996 г. - М., 1996. - С. 215-216.

7. Нусс М.В. Принципы создания базы данных нечеткой модели управления процессом обжига цементного клинкера / М.В. Нусс, П.А. Трубаев. // Материалы XXXIX научн.-техн. конф 24-28 марта 1997г. - Пенза: ГАС А, 1997. - С. 102.

8. Нусс М.В. База данных нечеткой модели управления процессом обжига цементного клинкера / / М.В. Нусс, П.А. Трубаев, В.К. Классен и др. II Энерго- и ресурсосбережение в производстве цемента и других вяжущих веществ / Сб. докл. межд. конф. «Промышленость стройматериалов и стройин-дустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений». -Белгород: Изд. БелГТАСМ, «Крестьянсное дело», 1997. - Ч. 1. - С. 152-155.

9. Нусс М.В. Использование нечеткой модели в управлении процессом обжига клинкера / М.В. Нусс, П.А. Трубаев // Резервы производства строительных материалов. Материалы межд. научно-техн. конф. Часть 1. - Барнаул, Алтайский гос. техн. университет, 1997. - С. 4.

10. Нусс М.В. Разработка правил вывода нечеткой модели по управлению процессом обжига цементного клинкера / М.В. Нусс, П.А. Трубаев // МКХТ-98. Часть 4. - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1998. - С. 34.

П.НуссМ. В. Управление цементной вращающейся печью мокрого способа производства по оценке состояния зон печи / М.В. Нусс, П.А. Трубаев // МКХТ-98. Часть 4. - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1998. - С. 35.

12. Нусс М. В. Управление процессом обжига цементного клинкера во вращающихся печах / М.В. Нусс, IT.A. Трубаев // Физико-химические проблемы строительного материаловедения. Материалы научн. чтений, поев, памяти О.П. Мчедлова-Петросяна. - Харьков, 8-9 окт. 1998 г. - С. 19.

13. Нусс М. В. Разработка модели для экспертной системы но управлению цементными печами мокрого способа производства / М.В. Нусс, П.А. Труба-

ев 11 Компьютерное моделирование : Сб. научн. тр. - Белгород, 1998. -С. 324-329.

14.Нусс М. В. Новые принципы управления цементной вращающейся печью / М.В. Нусс, П.А. Трубаев П Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века: Сб. докл. межд. конф. - Белгород, 1998. -С. 258-261.

15. Нусс М В. Информационное обеспечение управления цементными вращающимися печами / М.В. Нусс, П.А. Трубаев. В.К. Классен // Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве: Сб. тр. межд. конф., поев. 20-летию СПИ МИСИС, 15-16 сент. 1999 г. - Старый Оскол, 1999. - С. 156-158.

16. Исследование процесса теплоотдачи от корпуса вращающихся клинке-рообжигательных печей / Трубаев П.А., Е. В. Мануйлов, В.В. Смирнов и др. (в т.ч. М.В. Нусс) // Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы XXI века: : Сб. докл. межд. конф., Ч. 2 - Белгород, 1999. - С. 139147.

17. Нусс М.В. Управление расходом топлива и воздуха // / М.В. Нусс, П.А. Трубаев И Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы XXI века: Сб. докл. межд. конф., Ч. 2 - Белгород, 1999. - С. 114-118.

18. Нусс М. В. Информационная система по управлению процессом обжига цементного клинкера / М.В. Нусс, П.А. Трубаев, В.К. Классен // Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы VII акад. чтений РААСН. - Белгород, 2001. Ч. 1. - С. 377-380.

19. Нусс М. В. Модель процесса обжига цементного клинкера / М.В. Нусс, П.А. Трубаев, В.К. Классен // Фундаментальные исследования. -2006. - № 6. - С. 58-60.

20.Нусс М. В. Особенности построения экспертных систем для управления процессом обжига в цементных вращающихся печах / М.В. Нусс, П.А. Трубаев, В.К. Классен // Сборник научн. и научно-методич. докладов междун. научно-пр. конф. - Т.2. - Старый Оскол: СТИ НИТУ МИСиС, 2009. - С. 112-115.

21.Нусс М.В. Автоматизация управления обжига цементного клинкера во вращающихся печах на основе нечеткой модели / М.В. Нусс. П.А. Трубаев, В.К. Классен // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23: Сб. тр. XXIII межд. научн. конф. - Т. 10. - Саратов: СГТУ, 2010. - С. 3641.

22.Нусс М.В. Модель стабилизации технологического режима работы цементной вращающейся печи / М.В. Нусс, П.А. Трубаев // Наука и молодежь в начале нового столетия: Мат. III Межд. научно-практ. конф. студентов, асп. и мол. ученых. - Губкин, 2010. - С. 682-687.

23.Нусс М.В. Объединение нечеткой модели и детерминированных зависимостей для управления цементной вращающейся печью мокрого способа производства / М.В. Нусс, П.А. Трубаев, В.К. Классен // Научные исследова-

ния, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: Сб. докл. Междун. научн.-техн. конф. - Белгород, Изд-во БГТУ, 2010. - Ч. 2. - С. 2U-215.

24. Нусс М.В. Программа для управления цементной вращающейся печью мокрого способа производства / М.В. Нусс, П.А. Трубаев, В.К. Классен // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: Сб. докл. Междун. научн.-техн. конф. - Белгород, Изд-во БГТУ, 2010. - Ч. 2. - С. 216-221.

25. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Expert - советующая система для машинистов цементных вращающихся печей мокрого способа производства» № 2014612097 от 18.02.2014.

Подписано в печать 12.11.2014 Формат60x84/16. Усл. неч. л. 1.2 Тираж 120экэ. Заказ

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

15- 71

2014342346

2014342346