автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление вращающейся печью для обжига цементного клинкера на основе нечетких диаграмм поведения ее узлов

005061703

На правах рукописи

БАЖАНОВ АЛЕКСАНДР ГЕРАЛЬДОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧЬЮ ДЛЯ ОБЖИГА ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКИХ ДИАГРАММ ПОВЕДЕНИЯ ЕЕ УЗЛОВ

Специальность 05.13.06 — «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (строительство)

13 , :0Н 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород - 2013

005061703

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Магергут Валерий Залманович

Вент Дмитрий Павлович, доктор технических наук, профессор Новомосковского института (филиала) Российского химико-технологического

университета имени Д.И. Менделеева, зав. кафедрой «Автоматизация производственных процессов»

Ведущая организация

Михелёв Владимир Михайлович, кандидат технических наук, доцент Белгородского государственного

национального исследовательского

университета, доцент кафедры

«Математическое и программное обеспечение информационных систем»

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Защита состоится 26 июня 2013 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, главный корпус, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан «22» мая 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета /I

В.А. Уваров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Производство цемента является основой для строительной промышленности любого развитого региона мира. Несмотря на довольно ресурсозатратную и энергоемкую промышленную сферу, которой является получение цемента, она развивается быстрыми темпами, как в России, так и за рубежом.

Сырьевая составляющая в местности производства цемента играет значительную роль при выборе метода и набора используемых агрегатов. Географически сложившийся набор сырья, который располагается на территории России, а также в близлежащих регионах центральной и северной части Евразийского континента, изначально имеет влажность, которая обуславливает производство цемента по мокрому способу. Иной способ будет содержать избыточные ступени, что увеличит затраты ресурсов на весь цикл производства. Кроме того, качество получаемого цемента с использованием мокрого сырья и соответствующего способа производства выше аналогично получаемого с применением сухого и комбинированного способов.

Попытки решить задачу автоматизации цементной печи мокрого способа предпринимались начиная с 1960-х годов, однако применение традиционных методов теории автоматического управления к разработке системы управления не привели к сколько-нибудь устойчивому регулированию. Это говорит о сложности цементной печи, как объекта автоматизации, что обусловлено нестационарностью и сложностью протекающих в ней физико-химических процессов, их многостадийностью, причем стадии распределены по длине печи, большим количеством внешних возмущений, взаимным влиянием технологических величин и параметров друг на друга и другими причинами. В подтверждение этого можно отметить, что как в России, где работает порядка 45 заводов, так и, например, в США, где насчитывалось к 2008 году 48 цементных печей, работающих по мокрому способу, практически нет автоматизированных систем управления процессом обжига. В то же время, по прогнозам экспертов, использование печей мокрого способа будет осуществляться как минимум еще 30 лет. В этом плане разработка автоматизированных систем управления такими печами является актуальной.

Диссертационная работа выполнялась в рамках соглашения между БГТУ им. В.Г. Шухова и ЗАО «Осколцемент» (г. Старый Оскол), НИР кафедры «Техническая кибернетика» БГТУ им. В.Г. Шухова, гранта по Программе УМНИК «Разработка комбинированных методов управления для повышения эффективности работы вращающейся печи», гранта по Программе СТАРТ №105б5р/19102 «Разработка интеллектуальной системы для повышения эффективности работы вращающейся печи с применением комбинированных методов управления».

\

Цель работы - разработка и создание автоматизированной советующей системы управления вращающейся цементной печью мокрого способа на основе нечетких диаграмм поведения ее узлов для повышения эффективности принятия решений и снижения нагрузки на операторов печи.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Построить нечеткие модели поведения технологических величин, определяющих работу цементной печи.

2. Написать алгоритмы работы печи обжига на основе этих нечетких

моделей.

3. Разработать методику синтеза управляющего автомата для объектов управления на основе нечетких диаграмм поведения их узлов.

4. Разработать интеллектуальную систему управления печью, включающую советующую систему управления печью и систему предотвращения нештатных и аварийных ситуаций.

5. Разработать фрагмент компьютерного тренажера печи, использующего в своей основе модель, аналогичную созданной для системы управления.

Научная новизна работы состоит в:

- разработке методики построения нечетких диаграмм поведения узлов объектов;

- построении нечетких диаграмм поведения пяти технологических величин цементной печи;

- создании модели процесса обжига в печи мокрого способа, построенной на основе совокупности взаимно увязанных нечетких диаграмм поведения ее узлов;

- разработке нечеткого алгоритма и написании продукционных правил управления цементной печью;

- разработке методики синтеза управляющего автомата для объектов управления на основе нечетких диаграмм поведения их узлов;

- разработке советующей автоматизированной системе управления печью, построенной на нечеткой модели объекта и разработанных нечетких алгоритмах с выдачей советов на верхний уровень, связанной с заводской базой данных и реальными технологическими величинами и параметрами печи;

- разработке фрагмента компьютерного тренажера печи, алгоритм работы которого аналогичен советующей системе управления.

Практическая значимость работы заключается в:

- повышении энергоэффективности и производительности работы печи обжига цементного клинкера по мокрому способу и снижении нагрузки на операторов;

- создании оригинальных эргономичных программных приложений,

реализующих внедрение советующей системы в существующую систему дистанционного контроля и управления;

- создании в рамках проведенной работы фрагмента компьютерного тренажера, имитирующего работу реальной системы со свойственным ей поведением;

- возможности тиражирования предложенных методик и программного обеспечения для аналогичного применения на других сложных объектах автоматизации;

- использовании предложенных методик в учебном процессе.

Внедрение результатов исследований:

- созданное программное обеспечение, включая алгоритмы управления, рекомендованы для внедрения на ЗАО «Осколцемент» (г. Старый Оскол);

- ряд новых правил управления, выявленных в процессе исследования, используются операторами печи уже в настоящее время;

- разработанный подход применяется в учебном процессе в рамках дисциплины «Цифровые системы управления» для подготовки специалистов по специальности 220201.65 «Управление и информатика в технических системах», а также предусмотрен для внедрения в рабочих программах для подготовки бакалавров по направлениям 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств», 221000.62 «Мехатроника и робототехника» и 220400.62 «Управление и информатика в технических системах».

На защиту выносятся:

- Методика построения нечетких диаграмм поведения узлов объектов. -Пять нечетких диаграмм поведения технологических величин цементной

печи.

-Модель процесса обжига в печи мокрого способа, построенная на основе совокупности взаимно увязанных нечетких диаграмм поведения ее узлов.

- Нечеткий алгоритм и продукционные правила управления цементной печью. -Методика синтеза управляющего автомата для объектов управления на

основе нечетких диаграмм поведения их узлов.

- Советующая автоматизированная система управления печью.

- Фрагмент компьютерного тренажера печи.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационные исследования соответствуют п.п. 4, 15 паспорта специальности 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами;) (строительство).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на Международной конференции «Successful R&I in Europe 2013: Takeoff for Horizon 2020» (Германия, г. Дюссельдорф: 2013), на II и V Международных Конгрессах Производителей Цемента (Белгород: 2009 и 2012), на Международной научно-

практической конференции «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-25 (Харьков: 2012), на Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» - XX научные чтения (Белгород: 2011), на 54-й Международной научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе» (Долгопрудный: 2011), на конференции Российской венчурной компании (Белгород: 2010), а также на ежегодных научно-практических семинарах кафедры «Техническая кибернетика» (2009 - 2012 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 работах, в том числе, 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад соискателя состоит в следующем:

Все разделы диссертационной работы написаны лично автором. Результаты исследований получены им самостоятельно, либо при его непосредственном участии.

В работах, опубликованных в соавторстве: [1, 5, 8] - написаны совместно с научным руководителем; [3, 9, 13, 15] - вклад состоит в предложении комбинированного метода и общих принципов построения интеллектуальной системы управления, а также в создании методики построения нечетких диаграмм поведения узлов; [2, 4, 6, 7, 10 - 12, 14] - вклад состоит в исследовании диссертантом объекта и разработке для него нечетких диаграмм поведения узлов.

Методы исследования. В работе при решении поставленных задач были использованы теория нечетких множеств и принципы построения систем управления, булева математика в сочетании с данными нечетких баз правил, теория графов и систем логического управления, методы цифровой фильтрации и сглаживания, а также теория конечных автоматов и помеченных сетей Петри.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 81 наименования, изложенных на 138 страницах машинописного текста, включая 6 таблиц и 62 рисунка, и пяти приложений на 11 страницах.

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 «Анализ объекта и некоторых подходов к его автоматизации» рассмотрены технологические аспекты производства цемента и состояние с автоматизацией печей обжига по мокрому способу в стране и за рубежом. Проведен анализ теплотехнологического агрегата, представляющего

собой цементную печь обжига клинкера как объекта управления. Рассмотрено его представление в виде «черного ящика». Описаны методы, которые применялись ранее в попытках автоматизации вращающейся печи по мокрому способу. Рассмотрены технические и программные средства, а также системы автоматизации на переделе обжига, используемые в настоящее время, в частности, на ЗАО «Осколцемент», относящиеся, как правило, к их использованию в локальных АСР, системах защиты и блокировок или информационных АСУ ТП. Показана целесообразность использования компьютерных тренажеров для обучения персонала печей. Сделан анализ методов интенсификации цементного производства и существующих моделей процесса обжига. Показана целесообразность перехода от классических подходов к автоматизации цементных печей, основанных на получении и исследовании дифференциальных уравнений, к алгоритмическим подходам. В этом плане далее основное внимание в главе уделено рассмотрению метода управления объектами на основе четких диаграмм поведения узлов, суть которых изложена в работе1, и нечетких систем управления в современной промышленности. Показана целесообразность их применения при автоматизации цементных печей.

Отмечается, что большой вклад в решение проблем интенсификации и управления вращающихся печей обжига клинкера внесли отечественные и зарубежные ученые: П.В. Беседин, И.Н. Борисов, Я.Е. Гельфанд, И.Б. Гинзбург, Е.Г. Древицкий, В.К. Классен, И.Г. Лугинина, П.А. Трубаев, W. Duda, L.P. Holmbland и др.

В то же время отмечается, что вопрос автоматизации цементных печей, работающих по мокрому способу, на сегодняшний день все еще не решен. Управление печами ведется операторами. Не созданы автоматизированные советующие системы управления этими печами.

На основании выводов, сделанных из проведенного анализа, сформулирована цель и задачи исследований, решение которых приводит к ее достижению.

Во второй главе «Принцип и методика построения нечетких диаграмм поведения узлов и их реализация при построении технологических узлов цементной печи» произведена декомпозиция вращающейся печи на узлы основных технологических величин на основе экспертных мнений технолога, опыта операторов печи, литературных и статистических данных, разработан математический аппарат и методика построения нечетких диаграмм поведения узлов (НДПУ).

1 Магергут В.З., Юдицкий С.А., Перов В.Л. Построение логических моделей химико-технологических объектов (первичные и исходные модели). - М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1988. - 80с.

Нечеткость, которая характерна для процессов, протекающих в печи, делает нерациональным использование классических моделей статики, базирующихся на уравнениях баланса, и динамики, базирующихся на дифференциальных уравнениях. В этих случаях целесообразно перейти на алгоритмические подходы с использованием нечетких систем. Построенные на их основе модели могут оказаться полезными и дать необходимую адекватность.

Объединение двух видов подходов: создание нечетких моделей и алгоритмических диаграмм поведения узлов дает ту степень возможности построения модели, после изучения и построения которой становится возможным создание систем управления и тренажеров, учитывающих возможные ситуации, которые могут произойти на данном объекте.

Главной отличительной особенностью данного подхода является симбиоз различных областей научного знания, связанных с изучением технологии процессов, использованием для описания работы аппарата нечетких множеств и созданием моделей в виде НДПУ.

Суть методики заключается в выполнении следующих основных этапов:

1 этап - «Построение схемы внешних связей аппарата».

Любой аппарат характеризуется множеством входных и выходных технологических величин. Входные - разбиваются на четыре группы: 1) управляющие технологические величины; 2) возмущающие (контролируемые и неконтролируемые); 3) постоянные; 4) управляющие технологические координаты. Кроме того, аппарат характеризуется стационарными и нестационарными параметрами.

Между рассмотренными величинами и параметрами имеют место внутренние связи, а выходные величины являются внешними факторами для иных величин других аппаратов, а в частном случае, для своего. Управляющие технологические воздействия - величины, которыми производится управление с помощью исполнительных устройств, управляющие технологические координаты - величины, являющиеся возмущениями, которым могут подвергнуться управляющие технологические величины и которые самостоятельно при выполнении определенных условий, названных технологическими, изменяют их без задействования исполнительных устройств. Возмущающие величины являются количественной характеристикой внешних и внутренних возмущений, которым подвержен аппарат.

Схема внешних связей аппарата с учетом всех внутренних величин и связей между ними и внешними величинами образует структурную технологическую схему аппарата.

2 этап - «Декомпозиция аппарата на узлы».

Все аппараты, которые в данном случае являются объектами управления, декомпозируются на узлы.

Узел - это часть технологической структурной схемы аппарата, которая соответствует конкретной выходной технологической величине и включает все воздействующие на эту величину входные величины аппарата, направленные связи между ними с учетом всех, промежуточных величин и параметров.

Таким образом, на данном этапе вычленяется нужный узел из общей структуры объекта со всеми воздействиями и технологическими условиями. Данный этап завершается формированием технологической структуры узла.

Отметим, что первые дза этапа ничем не отличаются от аналогичных этапов построения четких диаграмм поведения узлов.

3 этап - «Описание имеющихся технологических величин».

Каждый узел имеет входные и одну выходную величины. Для введения в модель их нужно описать математически. Детерминированный подход предполагал нахождение в изменениях выходной величины характерных точек, а затем, согласно этим точкам, составление уравнений динамики и статики для найденных интервалов из диапазона изменения выходной величины узла с нахождением их качественных решений в виде режимов. В предложенном подходе предлагается заменить эту процедуру процедурой с применением нечеткой логики. Прежде всего, на интервале изменения выходной технологической величины узла выделяются характерные стационарные области. Далее интервалы между областями и сами области описываются функциями принадлежности выходной величины узла к определенным выявленным термам. Аналогично поступаем и с входными величинами узла.

4 этап - «Описание технологических условий (ТУ)».

После приведения величин узла к нечетким градациям и выявления его полной структуры необходимым элементом в создании модели является описание наступления ТУ для управляющих технологических координат. Для их описания используется скачкообразная функция с заданием булевого логического условия ее появления.

Технологические условия, наряду со знанием физико-химических закономерностей свойств веществ и явлений, выявляются также при подробном изучении технологии и способов управления объектом и при опросе специалистов-экспертов.

5 этап - «Построение нечеткой диаграммы поведения».

Для перехода от нечетких градаций к описанию в виде графа поведения необходимо мнемонически описать нечеткие режимы, которыми мы обозначим вершины нечеткой диаграммы с сохранением для нее общей формы (мнемоники) четкой диаграммы поведения и изменением содержательной части вершин и дуг. Напомним, что под режимами выходной технологической величины узла понимается качественный закон ее движения на заданном интервале, в том числе для стационарных областей, с учетом знака изменения

производных на интервалах. Для нечетких диаграмм поведения описание режимов производится нечеткими функциями. Число учитываемых производных определяет ранг режима. Для описания нечетких режимов, как показывает практика, достаточно использовать лишь режимы первого ранга.

Функции принадлежности, описывающие режимы, используются следующим образом: если функция является трапециевидной - статическим вершинам будут соответствовать интервалы со стопроцентной вероятностью, динамическим - в зависимости от направления, интервалы между соседними функциями; если функция треугольная или имеет место гауссово распределение, то статической будет вершина соответствующая диапазону 95 - 100 % вероятности, динамической - по аналогии с предыдущим за вычетом 5 %, занятых статической позицией. При этом крайняя левая и крайняя правая функция, соответственно, рассматриваются как г-образная и Б-образная функции, которые своими левой и правой стороной принадлежат статической позиции. Пример отношений функций принадлежности с позициями нечеткой диаграммы поведения представлена на рис. 1.

•а гв рв

- -лииамнки ---статика

Рис. I. Отношение функций принадлежности к позициям диаграммы

В динамических режимах происходят значительные изменения в контролируемом процессе, а в режимах статики (стационарных областях)-даже если изменения происходят, то они незначительны. 6 этап — «Описание пометок дуг».

На дугах записываются комбинационные и последовательностные логические функции, определяющие условия перехода от одного режима к другому. В качестве аргументов этих функций выступают управляющие воздействия (исполнительные устройства), технологические условия, внешние воздействия, определяющие поведение выходной технологической величины

узла, и другое. На данном этапе производится интеграция знаний о переходах от режима к режиму, накопленных обслуживающим персоналом объекта, знаний технологов, теоретическими знаниями и исследованиями и прочее.

С учетом выделенных этапов были построены нечеткие диаграммы поведения для пяти технологических величин, определяющих, по мнению большинства опрошенных экспертов, ведение процесса в цементной печи. В качестве таких узлов в работе рассмотрены:

- «Ток нагрузки на главный привод печи», характеризующий, в основном, степень подготовки материала в зоне спекания;

- «Температура в зоне подогрева», определяющий температуру и качество подготовки материала в этой зоне;

- «Разрежение в горячей головке печи», характеризующий степень уноса тепла и пыли из печи;

- «Концентрация углекислого газа в отходящих газах», в основном, характеризующий удельный расход топлива;

- «Температура готового клинкера», определяющая качество последующего помола клинкера и конечного продукта в целом.

В качестве примера приведем результат построения НДГТУ для первого узла, показанный на рис. 2 — 4 _

Т ->■ I

-►

ОУ

#„

и,.

Рис. 2. Упрощенная технологическая структура узла

Период оборота печи(Т,с«с.'о6) Расход шишйш, т/ч)

ш

10 К Ж 23 33 35 *0

70 60 Я) 109 110 120 1ЭЭ 1*0

Угол подъема материала (Нм, град.)

•и

Длина зоны спекания (Ьзс, м)

мняый — СродкчЗ — ЕРЯМКД)

Подача шлама (гУі, %)

Номер передачи печи (гб)

Рис. 3. Нечеткое представление входных технологических величин Аналогичные представления можно дать для выходной технологической

величины /н

Примеры записи логических условий, помечающих дуги для управляющего и возмущающего ТУ, приведены ниже, а нечеткая диаграмма поведения узла - на рис. 4.

Управляющие технологические условия:

92 =

VI =

1 - корпус в рабочих пределах (Окп),

.911 =

>93 = О - если иначе;

Возмущающие технологические условия:

1 - если Г„ег'„,

О - если 0 < Тм < Т"ср,

1-если Гм еГмЕ, О - если иначе;

/«Ги

I - если есть шлам О - если иначе;

¿>12 =

•Л—--* 3 0

с /е А™, /„У 1п /

5 V 6

+ /»гч

Рис. 4. Нечеткая диаграмма поведения узла и, Пример записей/ для/1 приведен ниже

/ = (А3 л 3,2 л л л ) V О, л ((А, V А,) л (А, V Аз)л л(А, V А2) л (гшв V гшср) л -'„„,„));

В приведенных рисунках и условиях применены обозначения: период обращения печи Т (с/об), подача (расход) шлама в печь Ош (т/ч), высота подъема материала в печи Нм (град.), длнна зоны спекания Ьзс (м), нагрузка двигателя /нгп (А).

Остальные обозначения для рис. 2-4 даны в конце автореферата. Название третьей главы «Разработка советующей системы управления вращающейся печью на основе нечетких диаграмм поведения ее узлов» говорит о ее содержании. Алгоритм советующей системы управления базируется на нечетких диаграммах поведения узлов главы 2 и включает в себя три этапа:

7 этап - «Составление разверток каждого из узлов».

8 этап - «Совместное рассмотрение разверток узлов».

9 этап - «Программный синтез управляющего автомата».

Развертка узла представляет собой регламентное следование режимов (режим нормальной эксплуатации) печи с учетом выходов в нештатные ситуации. На этапе 8 рассматривается совокупная работа пяти узлов с выявлением их взаимодействия и нештатных и аварийных ситуаций.

В качестве математического аппарата при рассмотрении этапов 7 и 8 сделан переход на помеченные физические сети Петри с введением ТРТ-связей («переход-позиция-переход») между развертками узлов.

На этапе 9 по полученному алгоритму записываются продукционные правила, лежащие в основе советующей системы.

В качестве примера ниже показана развертка узла «Нагрузка на главный привод» (рис. 5), а фрагмент совместного рассмотрения разверток узлов с выделением нештатной ситуации на рис. 6.

Дуга, ведущая к нештатной ситуации (режиму)

Рис. 5. Развертка для узла «Ток нагрузки на главный привод печи»

Правило №6

-' 133 |

Г".,*,

РЗ 3

I' "'

—К 1-5.6 )

?" е]7"„„,7-™[

Рис. 6. Фрагмент совместной развертки

Пример продукционного правила записан ниже. При этом оно может быть записано как через понятия нечетких множеств (верхняя строка), так и с использованием понятия режимов (нижняя строка). Если(/нгп ізгР )И(ГМ /.ї Р8 ) и (Ягк РМ) И (сС02 із РМ) И (Тк /.V РМ), то «Немного увеличить подачу газа»

Если (/нгпЄ]/-;/п^[=/г14) И (7М бС» =/?2.2 ! И И

О ^йгаТсш, „ ) И (г С1Т> Г= , ), то «Немного увеличить

*—С02 пот >^-тэх І 'М.5 1 к Р пот >1 тах I "5.5

подачу газа».

Введенные обозначения для рис. 5, 6 и продукционных правил, как и ранее, даны в конце автореферата.

Структурная схема разработанной интеллектуальной советующей системы приведена на рис. 7. Пунктиром поюїзаньї блоки и линии связи, планируемые к подключению к системе. Исполнительные механизмы разделены на 2 группы: управляемые оператором по советам системы и

Рис. 7. Структурная схема интеллектуальной советующей системы управления

В четвертой главе «Реализация алгоритмов управления в советующей системе и фрагменте тренажера» на основе полученных алгоритмов разработана советующая АСУ, построенная на принципах нечеткого управления с основой в виде базы продукционных правил.

Интерфейс советующей системы управления представлен на рис. 8. Для создания советующей системы был создан дополнительный АРМ, подключенный к информационной базе данных реального времени завода. На экранную форму выведены основные технологические величины и выдаются советы по управлению оператору. Советующая система на данный момент включает в себя порядка 140 продукционных травил и является открытой системой, которая может дополняться новыми правилами для информационной базы знаний, в частности, получаемой от системы технического зрения.

Рис. 8. Интерфейс советующей системы

Адекватность заложенных в советующую систему модели и алгоритмов доказана сравнительными результатами работы модели и объекта для ряда ...............испытаний.

Заложенные в советующую систему модели и алгоритмы на основе НДПУ были использованы для создания фрагмента компьютерного тренажера, интерфейс которого показан на рис. 9. Важной особенностью предлагаемого тренажера является разделение функционала на инструктора и обучающегося. При запуске программы оператор печи видит окно приветствия с возможностью выбора функционала. После ввода своей фамилии и пароля открывается главное окно программы, которое различно для инструктора и обучающегося.

Для более полного воссоздания рабочего места оператора изменение всех управляющих воздействий доступно только в специальном окне, которое открывается при нажатии на его название.

- і

Рис. 9. Интерфейс фрагмента компьютерного тренажера (учитель)

В приложении к диссертации приведены фрагменты листингов программ советующей системы и тренажера.

Также в приложение к диссертации вынесены функциональная схема автоматизация цементной печи с показом внесенных в нее изменений, связанных с созданием советующей системы, а также акты опытно-промышленных испытаний системы на заводе ЗАО «Осколцемент», г. Старый Оскол и внедрения результатов исследований в учебный процесс.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны методики построения нечетких диаграмм поведения узлов объекта и синтеза управляющего автомата для неполностью определенных объектов управления, позволяющие создавать нечеткие системы управления сложными объектами.

2. Построены нечеткие диаграммы поведения отдельных технологических величин цементной печи, иллюстрирующие ее работу, которые формируют представление о способе разработки модели работы печи в целом и алгоритмов управления ею.

3. Создана алгоритмическая модель процесса обжига в печи мокрого способа, разработан нечеткий алгоритм и написаны продукционные правила, реализованные при построении советующей системы управления печью.

4. Разработана советующая АСУ печью, испытаны предложенные продукционные правила в условиях ЗАО «Осколцемент», в результате чего получено подтверждение правомерности предложенного подхода в управлении неполностью определенным объектом. Система учитывает возможности появления нештатных и аварийных ситуаций, что позволяет исключить нерациональные операции ведения процесса.

5. Разработан фрагмент компьютерного тренажера печи, позволяющий обучать операторов печи регламентному ведению процесса.

6. Основные результаты исследований внедрены в учебный процесс и получен акт о целесообразности использования разработанной системы для управления вращающейся печью обжига цементного клинкера мокрого способа.

7. Внедрение советующей системы будет способствовать повышению производительности производства цементного клинкера при требуемом его качестве и снижению нагрузки на операторов печи.

Список основных научных трудов, опубликованных по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Бажанов, А.Г. Нечеткая диаграмма поведения узла нагрузки главного привода цементной печи / А.Г. Бажанов, В.З. Магергут // Известия ТПУ /

Томский политехнический университет (ТПУ), 2012. — Т. 321, № 5: Управление, вычислительная техника и информатика. - С. 163 - 167.

2. Магергут, В.З. Подходы к построению дискретных моделей непрерывных технологических процессов для синтеза управляющих автоматов /

B.З. Магергут, В.А. Игнатенко, А.Г. Бажанов, В.Г. Шаптала // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова / Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова), 2013. — № 2.

C. 100-102.

3. Порхало В.А. Информационные представления адаптивного трехпозиционного алгоритма для его аппаратных и программных реализаций / В.А. Порхало, А.Г. Бажанов, В.З. Магергут // Научные ведомости Белгор. гос. ун-та. —2011. — № 1 (96). — выпуск 17/1. — С. 162—168.

Статьи и материалы конференций

4. Магергут, В.З. О новых подходах к исследованию вращающихся печей обжига клинкера как объектов управления / В.З. Магергут, А.Г. Бажанов, П.П. Гаевой, A.C. Копылов, A.C. Кижук, М.Н. Сердюк, A.B. Шиян // Материалы II Международного Конгрессе производителей цемента. Специальный выпуск журнала "Цемент Известь Гипс". — 2009. — №4. — С. 118-122.

5. Бажанов, А.Г. Построение нечетких диаграмм поведения узлов для создания автоматизированной системы управления вращающейся цементной печью / А.Г. Бажанов, В.З. Магергут // Тр. 54-й научн. конф. МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе». Аэрофизика и космические исследования [текст]. — М.: МФТИ, 2011. — С. 149-151.

6. Бажанов, А.Г. Создание нечеткой диаграммы поведения узла нагрузки на главный привод цементной печи / А.Г. Бажанов, В.З. Магергут, P.A. Набоков // Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-25 [текст] сб. трудов XXV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 4. Секции 6, 7, 13 / под общ. ред. A.A. Большакова. - Волгоград: Волгогр. гос. техн. ун-т, 2012; Харьков: Национ. техн. ун-т «ХПИ», 2012 - С. 11 — 14.

7. Магергут, В.З. Построение дискретных моделей непрерывных технологических процессов и анализ их применения / В.З. Магергут, В.А. Игнатенко, А.Г. Бажанов // Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-25 [текст] сб. трудов XXV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 8. Секция 12 / под общ. ред. A.A. Большакова. - Волгоград:

Волгогр. гос. техн. ун-т, 2012; Харьков: Наиион. техн. ун-т «ХПИ», 2012 -С. 87-88.

8. Бажанов, А.Г. Нечеткие диаграммы поведения узлов для создания автоматизированной системы управления печью обжига цементного клинкера / А.Г. Бажанов, В.З. Магергут // Сб. трудов Междунар. научно-практич. конф. «Инновационные материалы и технологии» (XX научные чтения) [текст]. 4.1. — Белгород: БГТУ, 2011. - С. 23 - 27.

9. Бажанов, А.Г. Повышение эффективности работы вращающейся печи с применением комбинированных методов управления i А.Г. Бажанов, В.З. Магергут, В.Г. Рубанов, A.C. Копылов, В.А. Порхало // Сборник трудов Междун. научн. конф. ММТТ-23. Том 10. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т-2010.-С. 41-45.

10. Бажанов, А.Г. Построение нечетких диаграмм поведения узлов с целью создания компьютерных тренажеров / А.Г. Бажанов, О.И Бажанова // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов [текст]: Межвуз. Сб. ст./ под. ред. акад. Богданова B.C.: Выпуск VIII-Белгород: БГТУ - 2009. - С. 43-51.

11. Магергут, В.З. Построение нейронечеткой модели для управления колосниковым холодильников / В.З. Магергут, М.Н. Сердюк, П.П. Гаевой, А.Г. Бажанов // Сборник трудов Междун. научн. конф. ММТТ -22. Том 6. Псков: Псковский политехи, ин-т- 2009. - С. 12 - 15.

12. Бажанов, А.Г. К построению нечетких диаграмм поведения узлов объектов для создания систем управления н тренажеров / А.Г. Бажанов, В.З. Магергут, В.Г. Рубанов //Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21 [текст]: сб. Трудов XXI Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 2. - Саратов: СГТУ, 2008. - С. 230 - 232.

13. Яхно, Б.А. Создание нечеткой базы правил как основы для советующей системы управления / Б.А. Яхно, А.Г. Бажанов, Ю.А. Гольцов // Сборник трудов молодых ученых и специалистов Белгородской области. -Белгород: ИД «Константа», 2012. - С. 97 - 102.

14. Ващенко, P.A. Реализация и испытание модели работы вращающейся печи на основе нечетких диаграмм поведения / P.A. Ващенко, А.Г. Бажанов // Сборник трудов молодых ученых и специалистов Белгородской области. - Белгород: ИД «Константа», 2012. - С. 66-73.

15. Bazhanov, A. Intelligent control systems of complex technological objects including usage of fuzzy and adaptive control methods and machine vision systems / A. Bazhanov, V. Magergut, A. Kopylov, D. Yudin, S. Zhuk, V. Ignatenko. // Dusseldorf. 2013. [Электронный ресурс]. Систем, требования: Adobe Reader. - URL: http://fi-p.nrw.de/frp2/_dld/va/v757/09_ Bazhanov_Alexander_20130315.pdf (дата обращения: 15.04.2013).

Перечень условных обозначений, использованных в автореферате

Гц - флаг исправности двигателя печи (1 - исправен, 0 - неисправен); Окп - флаг состояния корпуса (1 - в рабочих пределах, 0 - иначе); /•"ш - флаг наличия шлама на входе в печь (1 - есть, 0 - нет);

- флаг состояния клапана шлама (1 - открыт, 0 - закрыт); FзC - состояние зоны спекания (1 - сформирована, 0 - иначе); Нк„ - наличие клинкера (материал в конце печи) (1 - есть, 0 - нет); ^ - флаг наличия колец в печи (1 - есть, 0 - нет); Fф1( - флаг обрыва кольца или футеровки (1 - есть, 0 - нет); гш -управляющее воздействие на шибер шламопровода; г1'-управляющее воздействие на главный привода; 9 - управляющие ТУ; V - возмущающие ТУ;

б, = 9,А 92 л 9г А л 9, л 36'■>

Ти - температура материала в зоне подогрева, °С;

Ргк - разрежение в горячей головке печи, кгс/м2;

Сс02_ концентрация углекислого газа в отходящих газах, %; Тк - температура готового клинкера на выходе из холодильника, °С; Индексы:

м и min - минимальная градация величины (ZP);

ср и пот - средняя (нормальная) градация величины (PS); б и тах — максимальная градация величины (РВ);

Лип = Яп т - режим узла, где п -номер узла, т - номер режима в узле; Ркк - нештатная ситуация, где к -номер правила, приводящего к ней; fuk -переход в нештатную ситуацию по условию к;

/вк - условие возврата из к-й нештатной ситуации в режим штатной работы.

Подписано в печать 17.05.13 Формат 60x84/16.

Усл. печ. л. 1.2 Тираж 120 экз. Заказ №//■/

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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгородский государственный технологический университет

имени В.Г. Шухова

На правах рукописи

04201360396

Бажанов Александр Геральдович

УПРАВЛЕНИЕ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧЬЮ ДЛЯ ОБЖИГА ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКИХ ДИАГРАММ ПОВЕДЕНИЯ ЕЕ УЗЛОВ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

(строительство)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Магергут Валерий Залманович, доктор технических наук, профессор

Белгород - 2013

2.3. Выбор основных узлов для разработки модели работы печи и системы управления печью...............................................................................66

2.3.1. Построение нечеткой диаграммы поведения узла «Температура материала в зоне подогрева».............................................67

2.3.2. Построение нечеткой диаграммы поведения узла «Разрежение в горячем конце печи».........................................................72

2.3.3. Построение нечеткой диаграммы поведения узла «Концентрация углекислого газа в отходящих газах».............................76

2.3.4. Построение нечеткой диаграммы поведения узла «Температура готового клинкера»............................................................80

2.4. Выводы........................................................................................................85

ГЛАВА"3. Разработка советующей системы управления вращающейся печью на основе нечетких диаграмм поведения ее узлов........................................86

3.1. Помеченная сеть Петри как математический аппарат для написания алгоритмов работы узлов печи и алгоритма работы печи в целом...................................................................................................................86

3.2. Алгоритм работы цементной печи как совокупность совместной работы ее узлов..................................................................................................87

3.2.1. Учет взаимовлияния узлов печи при написании алгоритма работы печи. Выявление нештатных и аварийных ситуаций......................................................................................................87

3.2.2. Проектирование структуры интеллектуальной советующей системы управления.............................................................96

3.3. Изменения и дополнения в функциональной схеме автоматизации цементной печи, обусловленные созданием советующей системы.........................................................................................99

3.4. Создание универсальной структуры для программной реализации........................................................................................................100

3.5. К возможности создания компьютерного тренажера на основе написанных алгоритмов...................................................................................102

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Производство цемента является основой для строительной промышленности любого развитого региона мира, позволяя получать строительные смеси и производные различной степени прочности, климатической устойчивости и назначения. Несмотря на довольно ресурсозатратную и энергоемкую промышленную сферу, которой является получение цемента, в настоящий момент она развивается быстрыми темпами, как в России, так и за рубежом. Сырьевая составляющая в местности производства цемента играет значительную роль при выборе метода и набора используемых агрегатов.

В цементной промышленности используют три основных способа производства цемента, в основе которых лежат различные технологические приемы подготовки сырьевого материала: мокрый, сухой и комбинированный.

Мокрый способ производства используется для получения цемента из глины (включен силикатный компонент), мела (включен карбонатный компонент) и железосодержащих добавок (компоненты конверторного шлама, железистого продукта, пиритные огарки). Влажностные характеристики глины при этом способе производства не должны превышать 20 %, а влажность мела - 29%. Данный способ производства называется мокрым, так как измельчение сырьевой смеси, в силу уже достаточно большой ее исходной влажности, производится в водной среде, а на выходе получается шихта в виде водной суспензии - шлама, влажность которого колеблется от 30 до 50 %. Далее шлам поступает в обжиговую печь, диаметр которой может достигать 7 м, а длина — до 200 м и более. Обжиг шлама происходит с выделением углекислот. После этого многокомпонентную шихту в составе клинкера, который образуется в виде шариков на выходе из печи, двуводного гипса и шлака, растирают в тонкий порошок, который и является цементом.

При сухом способе производства цемента сырьевые материалы с малым влагосодержанием перед помолом или в его процессе высушиваются до определенного процента, а сырьевая шихта выходит в виде тонкоизмельченного сухого порошка. При сухом способе, которому в настоящий момент отдается

профилем по этой точке [47]. Однако, эти исследования не были доведены до промышленных испытаний на объекте и о температурном профиле печи, как и ранее, судят по косвенным показателям и, частично, по показаниям сканера.

Естественным казалось бы применение для управления ОРП и одноименного - распределенного управления [22]. Однако, если это просто реализовать в ОРП первого вида в силу их конструктивного исполнения с возможностью позонного управления, то для ОРП второго вида реализовать такое управление практически нельзя. Хотя в печах и выделяют технологические зоны, рассмотренные в разделе 1.1, но эти зоны не имеют позонного управления.

В целом печь как объект управления имеет совсем не много управляющих воздействий. Их можно выделить порядка десяти, что представлено ниже на рисунке 1.2. при классическом представлении печи в виде «черного ящика». Слева от него показаны управляющие воздействия, сверху - возмущающие, выходные технологические величины показаны слева, а входные технологических величины - снизу [32, С. 10-14]. Возмущающие воздействия можно разделить на контролируемые и неконтролируемые. Показанные на схеме возмущения можно все отнести к контролируемым.

входные

парлме I ры ,

I X Г~=--= 1

\ У (координаты)

Объект управления

выходные п:)рлме1рь:

(координаты)

Дитчнкл

V

выгодные переменные

Система нечеткого управления

Денацификация

Нечеткий Р.ЫКОЛ

^ /-С

____;__/

Б«на прлвнч к нечегкн.ч нрод\кцш'1

У

фпччн-фнклцпя

вчодные переменные

Рисунок 1.8. Модель нечеткого управления

Системы с применением нечеткого управления являются одним из решений проблемы по управлению цементной вращающейся печью. Вращающаяся печь является сложным нелинейным объектом, для которого возможно использование различных неравнозначных способов изменения состояния для перехода в требуемый режим работы [34, 36]. При управлении сложными, не до конца изученными нелинейными системами, характеризующимися неполной и нечеткой информацией широкое применение нашли модели, построенные на основе теории нечетких множеств. Одной из основных задач при создании информационных систем для анализа работы и управления цементной вращающейся печью, основанных на нечеткой логике, является получение адекватного множества правил, то есть разработка стратегии управления печью.

Методы нечеткой логики позволяют строить логико-лингвистические модели, отражающие общую смысловую постановку задачи, используя качественные представления соответствующие "человеческим" способам рассуждений и принятия решений [74].

Реализация систем с нечеткой логикой позволяет решать задачи, применяя методы и используя рассуждения, близкие к естественному/ языку. При упрощенном их применении, когда отсутствует составляющая автоматического обучения таких систем, появляется недостаток, так как все правила,

описывающие систему, ее работу, решение различных задач написаны субъективно и не могут проанализировать текущее состояние системы с другой, возможно новой стороны. Данный недостаток является достаточно весомым, так как эксперт, описавший систему и составивший функции принадлежности и базу нечетких правил, может не вполне адекватно оценить определенные состояния объекта.

Чтобы устранить описанные недостатки нечетких систем, было предложено дополнять их нейронными обучающимися сетями [64, 65].

Первые реализации нечетких моделей в промышленности относятся к середине 1970-х гг. Именно в этот период в Великобритании Эбрахим Мамдани (ЕЬгаЫт Матёаш) использовал нечеткую логику для управления парогенератором. С тех пор область приложений теории нечетких множеств и нечеткой логики с каждым годом продолжает неуклонно расширяться. При этом процесс разработки и применения нечетких моделей тесно взаимосвязан с концепцией системного моделирования как наиболее общей методологией построения и использования информационных моделей сложных систем различной физической природы.

1.5. Постановка задач исследования

Объект исследования в диссертационной работе — вращающаяся печь для обжига цементного клинкера по мокрому способу, представляющая собой теплотехнический агрегат, реализующий сложные физико-химические превращения сырья, имеющий распределенную структуру и множество взаимно увязанных величин, влияющих друг на друга.

Разработка системы автоматизации и управления для печи мокрого способа является актуальной и целесообразной задачей с точки зрения повышения эффективности и стабильности работы объекта, а также снижения ресурсозатрат в процессе его работы.

Цель данной диссертационной работы - разработка и создание автоматизированной советующей системы управления вращающейся цементной

2а

2од Qocд

к ОУ иР

г ъ р-

гк

Рисунок 2.12. Структура узла иР По результатам исследования получены следующие результаты (рисунок

2.13):

Параметры для малого 60000 60000 70000 73000

Параметры для среднего 7 000 75000 35000 87000 Параметры для большого

| ~ Маль и ~ Средним — Большой)

8Б000 90000 100000 105000

Параметры для малого 130000 130000 140000 143000

_ Параметрыдлясреднего

142000 145000 155000 157000

Параметрь для большого 15БООО 162000 170000 175000

Параметры для малого 0 0 10000 13000

Параметры для среднего Т2000 15000 25000 27000

Параметры для больиого 26000 31000 ~ 42000 45000

V-V-\1

60000 Б5 ООО 70 000 75000 80 000 85000 90 000 95000 100000 10500

Малый Среднин — Большой )

V \

130 000 135000 140 000 145 000 150000 1 55000 160000 165 000 170000 17500

Расход аспирационного воздуха из холодильника (Оа м3/ч)

Расход возд)ха общего дутья (()од м /ч)

■ Малый Средиии — Большои |

V—

} Расход воздуха острого дутья (О«! м^/ч)

0 5000 10 000 15 000 20000 25000 30000 Э5000 40 000 <5 000

Параметры для малого

1 5

25

Параметры для среднего 3 5 6

Параметры для большого 7 8

Параметры для палого 5 30

Параметры для среднего

65

40

у—4^41

0 12 3

5 5 7 В 9

| Малый * Средний — Большой |

55

62

Параметры для большого

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 66 70 75 90

Разрежение в горячем конце печи (Р к кПа)

Процент открытия шиоера дымососа аспирации (га %)

Процент открытия шибера дымососа общего дутья (г01 %)

Процент открытия шиоера дымососа острого дутья { ^ %)

5 10 15 2025303540 45 505560Б5 70 75 80 В51

Рисунок 2.13. Функции принадлежности для узла «Разрежение в горячем конце печи»

Составим управляющие и возмущающие технологические условия: Управляющие технологические условия:

1 - если привод дымососа аспирации исправен (7^),

0 - если иначе;

1 - если привод вентилятора общего дутья исправен (^од)?

0 - если иначе;

1 - если привод вентилятора острого дутья исправен СРосд), О - если иначе,