Автоматизация технологического комплекса измельчения

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. УПРАВЛЯЕМЫЙ ОБЪЕКТ

1.1 Краткое описание схемы заданного технологического комплекса

1.2 Характеристика технологического комплекса как управляемого объекта

1.3 Обоснование необходимости и эффективности автоматизации комплекса измельчения

1.4 Анализ статических и динамических свойств отдельных элементов и комплекса в целом

2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ И ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР ПО АВТОМАТИЧЕСКОМУ КОНТРОЛЮ И УПРАВЛЕНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

3.1 Структурная идентификация комплекса

3.2. Параметрическая идентификация технологического комплекса

3.3. Исследование статических и динамических свойств комплекса

4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

4.1 Выбор структуры управления технологическим комплексом

4.2 Выбор принципов контроля и управления комплексом измельчения

4.3 Аппаратурная реализация систем автоматизации комплекса измельчения

5. СИНТЕЗ ЛОКАЛЬНОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

5.1 Выбор датчика и вторичного прибора

5.2 Выбор регулятора и расчет его настроек

5.3 Выбор исполнительных элементов системы

5.4 Расчет надежности системы

5.5 Моделирование автоматической системы регулирования

5.6 Статическая и динамическая настройка системы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Измельчение является последней подготовительной операцией перед обогащением. Этот процесс дорогостоящий и энергоемкий, потребляет до 50% общего потребления энергии фабрики. Доля себестоимости концентрата тоже до 50%. Целью измельчения является подготовка руды к обогащению, то есть наиболее полное раскрытие рудных минералов. В связи с обогащением руд со сложным вкраплением минералов приходится добиваться очень тонкого измельчения руды до 95% класса -0,074 микроны.

Измельчение производится в барабанных мельницах, стержневых, шаровых, рудогаечных мельницах самоизмельчения. Измельчение в основном производится с добавлением воды. Кроме мельниц в состав технологического комплекса измельчения входят механические классификаторы и питатели руды.

Автоматизация технологического комплекса измельчения должна решать следующие задачи:

1. Автоматический контроль состояния механизмов: а) температура подшипников механизмов и машин; б) параметров системы маслосмазки; в) состояния перегрузочных узлов отделения измельчения; г) длительность работы и простоя технологических механизмов.

2. Автоматический контроль технологических параметров комплекса: а) производительность цикла по исходной руде; б) расхода воды, подаваемой в цикл измельчения; в) гранулометрического состава продукта измельчения (слива классифицирующего аппарата); г) плотности слива классифицирующего аппарата; д) заполненности барабана мельницы рудой; е) загрузка мельницы дробящей рудой; ж) уровня пульпы в зумпфах насосов гидроциклонов; з) циркуляционных нагрузок цикло измельчения.

3. Автоматическое регулирование (стабилизацию) технологических параметров технологического комплекса измельчения: а) гранулометрического состава сливов классифицирующих аппаратов; б) плотности пульпы на сливе классифицирующих аппаратов; в) производительности комплекса по исходной руде; г) расходов воды в технологический комплекс (мельницы, классификаторы, зумпфы); д) заполнение барабанов мельницы пульпой; е) уровней пульпы в зумпфах насосов гидроциклонов.

4. Оптимизация работы технологического комплекса измельчения по экономическому или технологическому критериям. [3]

Дипломный проект состоит из 5 разделов. В первом разделе кратко описывается технологический комплекс измельчения, классификация входных и выходных величин комплекса, приводятся статические и динамические характеристики по различным каналам управления.

Во втором разделе приводится библиографический и патентный обзор по автоматическому контролю и управлению технологическим комплексом измельчения.

В третьем разделе приводится структурная идентификация комплекса измельчения на основании системного анализа его как управляемого объекта, определяются возможные каналы управления, анализируются связи между входными и выходными параметрами и представляется алгоритмическая структура математической модели заданного комплекса.

Затем производится параметрическая идентификация комплекса, которая заключается в расчете параметров передаточных функций отдельных элементов комплекса и проводится исследование статических и динамических свойств комплекса на полученной математической модели..

В четвертом разделе на основании библиографического и патентного обзоров составляется общая функциональная структура системы управления комплексов, приводится перечень необходимых локальных автоматических систем контроля и регулирования, осуществляется выбор технических средств автоматизации.

В пятом разделе производится выбор элементов заданной автоматической системы регулирования, производится расчет надежности системы автоматического регулирования и ее моделирование с целью определения оптимальных настроек регулятора.

1. УПРАВЛЯЕМЫЙ ОБЪЕКТ

1.1 Краткое описание схемы заданного технологического комплекса

Обогатительная фабрика "ОРМЕТ" перерабатывает комплексные медно-цинковые руды месторождения «Барсучий Лог». Руды данного месторождения содержат сопутствующие элементы, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1- Содержание сопутствующих элементов в руде

Наименование элементов	Содержание, %
Железо	22,02
Кадмий	0,0086
Талий	0,00036
Свинец	0,098
Висмут	0,00066
Сурьма	0,011
Мышьяк	0,0958
Селен	0,0031
Германий	0,0002
Индий	0,00016
Теллур	0,07
Галлий	0,0025
Барий	0,26

Сульфидные руды месторождения перемежаются с прожилко-вкрапленными медными рудами, отличающимися относительно низким содержанием меди (1-2%) и цинка (до 3%). Вкрапленные руды данного типа можно отнести к легкообогатимым.

По содержанию вторичных медных минералов и воднорастворимой меди руда весьма неоднородна. В верхних горизонтах содержание вторичных медных минералов достигает 80-85%, вообще же содержание вторичных сульфидов колеблется в пределах от 14-18%, а воднорастворимой меди от 0,5 до 13% всего содержания меди в руде. Цинк на 94-98% представлен сфалеритом. Значительное содержание кварца во вкрапленных рудах определяет их высокую твердость и образивность. Для вкрапленных руд тонкость помола очень высокая и достигает 90-92% контрольного класса -0,074мкм.

Руды месторождения "Барсучий Лог" поступают в железнодорожных вагонах после крупного дробления, осуществляемого в карьере, в корпус среднего и мелкого дробления фабрики "ОРМЕТ".

Технологическая схема комплекса на фабрике "ОРМЕТ" предусматривает трехстадиальное измельчение.

В первой стадии установлена стержневая мельница МСЦ 2100х3000, работающая на вход классификатора 1КСН-20М1. В свою очередь в замкнутом цикле с классификатором работает шаровая мельница МШЦ 2100х3000. Слив второй стадии измельчения поступает в классификатор третьей стадии 1КСН-24М1, в замкнутом цикле с которым работает шаровая мельница МШЩ 2100х3000. Слив третьей стадии измельчения поступает на коллективную флотацию.

Схема цепи аппаратов приведена ниже на рисунке 1.



Рисунок 1 - Схема цепи аппаратов измельчения руды на ЗАО «Ормет»: 1 - питатель ленточный ЛК-3000; 2-стержневая мельница МСЦ 2100х3000; 3 -классификатор спиральный 1КСН-20М1; 4,5 - шаровая мельница МШЦ 2100х3000; 5 - классификатор спиральный 1КСН-24М1

Качественно-количественная схема комплекса приведена ниже на рисунке 2.



Рисунок 2 - Качественно-количественная схема комплекса

1.2 Характеристика технологического комплекса как управляемого объекта

Рассмотрим элементы технологического комплекса в отдельности, а также комплекса измельчения в целом как объект управления..

Мельница предназначена для уменьшения крупности поступающей руды.

Входными управляющими воздействиями в общем случае принято считать:

- количество руды, подаваемой в мельницу, Qр;

- количество воды, подаваемой в мельницу, Qвм;

- частоту вращения барабана мельницы, n, об./мин.;

- шаровую (стержневую) нагрузку qш.

Структурная схема мельницы как управляемого объекта приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема мельницы как объекта управления

К входным возмущающим воздействиям относят:

- содержание контрольного класса крупности в исходной руде , %;

- колебание физико-механических свойств руды, поступающей на измельчение, ;

- количество песков qп (если мельница работает в замкнутом цикле с классификатором).

К помехам относят: износ измельчающей среды, износ футеровки мельниц, старение оборудования в целом - F(t).

Выходными показателями, характеризующими работу мельницы, являются:

- объемный расход пульпы на сливе мельницы, Qсл, м3/час;

- плотность слива мельницы п, кг/л;

- количество готового класса крупности в сливе мельницы Qм-0.074, либо содержание контрольного класса крупности в продукте измельчения;

- акустический сигнал, издаваемый работающей мельнице А (как правило, частота в Гц или амплитуда в Дб).

- мощность, потребляемая двигателем привода мельницы, РА, кВт.

Частоту вращения барабана мельницы, как правило, не изменяют в процессе работы. Ее определяют при наладке технологического комплекса на оптимальном уровне для контрольного типа руды и в дальнейшем не изменяют.

Чаще всего в качестве основных каналов управления мельницей рассматривают каналы:

- «количество руды в мельницу - плотность слива мельницы»;

- «количество руды в мельницу - акустический сигнал, издаваемый мельницей»;

- «количество руды в мельницу - количество готового класса в сливе мельницы».

Вода в мельницу подается в зависимости от того, сколько руды поступает в нее. Расход воды - это так называемый ведомый параметр, ведущий - расход руды в мельницу.

Спиральный классификатор предназначен для разделения измельченного продукта по классам крупности. Слив мельницы (обычно первой стадии измельчения) поступает в корыто классификатора. В классификатор подается также вода (точка воды определяется на практике и располагается ближе к сливному порогу классификатора).

К входным управляющим воздействиям классификатора (рисунок 4) относят:

- расход воды в классификатор ;

- частота вращения спиралей классификатора n, об./мин.

Рисунок 4 - Схема спирального классификатора как объекта управления

К входным возмущающим воздействиям относят:

- объемный расход пульпы, поступающей в классификатор Qп, м3/час;

- физико-механические свойства твердого продукта в пульпе (крупность зерен, форма частиц, твердость и т.д.) ;

- содержание готового класса крупности в питании классификатора , %.

К помехам относят: зарастание днища классификатора, износ спиралей и другие - F(t).

К выходным показателям, характеризующим работу спиралей классификатора, относят:

- плотность слива и песков классификатора сл, п, кг/л;

- объемный расход слива Qсл, м3/час;

- количество песков Qп, т/ч;

- содержание готового класса в сливе и песках .

Учитывая, что частоту вращения спиралей классификатора, как правило, не изменяют в процессе работы, то остается одно управляющее воздействие - расхода воды в классификатор.

В связи с этим, основным каналом управления в спиральном классификаторе является канал:

- «расход воды в классификатор - плотность (гранулометрический состав) слива классификатора».

В качестве выходного показателя можно использовать либо плотность, либо гранулометрический состав слива классификатора, в зависимости от того, что удобнее измерять в реальных условиях фабрики.

Питатель конвейерного типа, как объект управления характеризуется следующими параметрами:

Входные параметры:

- расход руды на питатель Qр;

- грансостав , который характеризуется содержанием готового класса в руде;

- наличие глинистых включений, Г;

- частота вращения привода, n;

- положение затвора, на емкость из которой поступает руда на питатель, S4

- процессы, связанные с износом и старением оборудования, F(t).

Выходные параметры:

- производительность питателя, Qп;

- грансостав или количество готового класса Q в руде.

Управляемые параметры: Qп;

Управляющие параметры: n, S;

Возмущающие воздействия: , Г;

Помехи: F(t).

Основными каналами управления считают:

- «расход руды на питатель - частота вращения привода»;

- «расход руды на питатель - положение затвора, на емкость из которой поступает руда на питатель».

Рисунок 5 - К описанию питателя как объекта управления

Рассмотрим технологический комплекс измельчения в целом как объект управления (рисунок 6).

В данный технологический комплекс входят: питатель, стержневая мельница МСЦ 2100х3000, две шаровых мельницы МШЦ 2100х3000, и два спиральных классификатора 1КСН-24М1 и 1КСН-20М1.

Технологический комплекс измельчения как объекта управления характеризуется следующими параметрами:

Входные параметры:

- расход руды в комплекс Qр, т/ч;

- частота вращения электропривода питателя;

- грансостав ;

- расход воды в мельницу МСЦ 2100х3000 , м3/ч;

- расход воды в мельницу МШЦ 2100х3000 , м3/ч;

- расход воды в мельницу МШЦ 2100х3000 , м3/ч;

- расход воды в классификатор 1КСН-20М1 , м3/ч;

- расход воды в классификатор 1КСН-24М1 , м3/ч;

Рисунок 6 - Схема технологического комплекса измельчения как объекта управления

Основные возмущающие воздействия:

- содержание готового класса крупности в исходной руде , %;

- физические свойства руды (прочность, твердость, раскалываемость и т.д.) ,%;

- Qп - количество песков, возвращаемых в мельницу на доизмельчение.

В качестве выходных показателей комплекса в большинстве случаев принимают:

- плотность сл и содержание готового класса крупности в сливе классификатора ;

- мощность, потребляемая электродвигателями приводов мельниц РД, кВт;

- акустический сигнал, издаваемый мельницей, Аш;

- объемный расход слива классификатора Qсл, м3/ч;

В качестве каналов управления могут быть приняты:

- «расход руды в комплекс - содержание твердого в сливе классификатора»;

- «частота вращения привода питателя - содержание твердого в сливе классификатора»;

- «расход воды в мельницу - расход воды в сливе классификатора»;

- «расход воды в мельницу - содержание готового класса крупности в сливе классификатора »;

- «расход воды в классификатор - содержание готового класса крупности в сливе классификатора »;[3]

1.3 Обоснование необходимости и эффективности автоматизации комплекса измельчения

Использование средств автоматизации и автоматизированных систем управления технологией повышает эффективность производства и качество работы. Внедрение автоматизированных систем контроля и управления производством позволяет значительно сократить потребность предприятий в людских ресурсах, снизить потери полезного вещества и уменьшить эксплуатационные расходы с одновременным повышением производительности предприятий и качества выпускаемой продукции.

Одним из показателей технического уровня производства является уровень автоматизации труда. О техническом уровне предприятия можно судить и по ряду таких показателей, как средний возраст оборудования, доля современных машин, устройств и приборов в общем их числе. Предприятия обязаны проводить своевременную замену устаревшего оборудования новым, более совершенным и производительным. Важное значение наряду с этим имеет модернизация оборудования, которая заключается в замене или упрочении отдельных узлов и деталей, внесение конструктивных изменений, позволяющих ускорить рабочие режимы, повысить технические и экономические показатели производства. В ходе модернизации машины оснащаются, как правило, приспособлениями, приборами и средствами обеспечивающими автоматизацию и облегчение управление.

Основными показателями по которым сравнивают экономическую эффективность являются:

- удельное капитальное вложение;

- себестоимость продукции;

- производительность труда;

- срок окупаемости дополнительных капитальных вложений.

Годовая экономия в технологическом процессе складывается из различных статей в каждом конкретном случае. Так экономия может быть достигнута за счет сокращения расходов сырья, топлива, уменьшении брака, а также в результате повышения производительности агрегатов,

Существуют два пути модернизации и автоматизации.

1. Замена устаревших, снятых с производства средств измерения.

2. Создание АСУ ТП на базе контроллера.

За счет использования ЭВМ происходит увеличение производительности комплекса в целом. Процесс управления ЭВМ требует меньшее количество сотрудников и сокращается необходимость механической регулировки процесса.

Плавно управляемый процесс позволяет подстроиться под следующие технологические комплексы.

1.4 Анализ статических и динамических свойств отдельных элементов и комплекса в целом

Процессы измельчения и классификации - это нелинейные объекты, и статические характеристики их нелинейны, но в ограниченном диапазоне изменения входных параметров их можно линеаризовать. Исключение составляют зависимости выхода готового класса в слив мельницы от содержания твердого, выхода готового класса в слив классификатора от производительности по твердому и потребляемой мощности для мельницы самоизмельчения от производительности, которые имеют явно выраженный экстремум. Эти зависимости используются для экстремального управления процессами измельчения и классификации.

На рисунке 7 представлены некоторые статические характеристики мельниц и классифицирующих аппаратов по различным каналам, работающих в открытом и замкнутом циклах.

Рисунок 7 - Статические характеристики процессов измельчения и классификации: а - шаровой мельницы по каналу «производительность - содержание класса -0,074 мм в сливе»; б - мельницы мокрого самоизмельчения по каналам «производительность - мощность Р», «производительность - давление масла в опорных подшипниках р»; в - гидроциклона по каналу «плотность питания - плотность слива»

На динамические свойства процессов измельчения и классификации оказывают влияние следующие группы факторов:

а) определяющие сущность операции (измельчение твердых тел и разделение минералов в водной среде по крупности и плотности);

б) характеризующие элементы технологического комплекса как гидравлические емкости (накопление, расход и т. п.);

в) транспортирование материала через барабан мельницы и по пульпопроводам, связывающим элементы технологического комплекса.

Характер переходных процессов мокрого измельчения определяется: по каналам «производительность - выход твердого в разгрузку», «расход воды - выход твердого в разгрузку» - гидравлическим процессами в барабане мельницы; по каналам «гранулометрический состав руды - гранулометрический состав разгрузки» и «физико-механические свойства руды - гранулометрический состав разгрузки» - кинетикой измельчения и свойствами исходной руды; по каналам «производительность - гранулометрический состав разгрузки» и «расход воды - гранулометрический состав разгрузки» - совокупностью гидравлических процессов и кинетики измельчения.

На характер переходных процессов в механическом классификаторе основное влияние оказывают гидравлические процессы.

На рисунках 8 - 11 представлены экспериментальные динамические характеристики отдельных элементов и технологического комплекса в целом.



Рисунок 8 - Динамические характеристики процессов измельчения и классификации: а - стержневой мельницы по каналу «производительность - содержание готового класса в сливе»; б - шаровой мельницы по каналу «производительность - амплитуда шумового сигнала»; в - мельница мокрого самоизмельчения по каналу «производительность - потребляемая мощность»; г - замкнутый цикл по каналу «производительность - содержание класса -147 мкм в сливе гидроциклона»



Рисунок 9 - Динамические характеристики технологического комплекса измельчения, включающего стержневую мельницу и две стадии шарового измельчения (возмущение - изменение расхода руды в стержневую мельницу): а - расход питания стержневой мельницы; б - содержание класса -2362 мкм в разгрузке стержневой мельницы; в - плотность питания гидроциклона первой стадии; г - объемный расход питания гидро-циклона первой стадии; д - содержание класса -147 мкм в сливе гидроциклона первой стадии; е - плотность питания гидроциклона второй стадии; ж - объемный расход питания гидроциклона второй стадии; з - содержание класса -147 мкм в сливе гидроциклона второй стадии

Рисунок 10 - Динамические характеристики первой стадии технологического комплекса измельчения (возмущение по расходу воды в стадию): а - расход воды; б - плотность питания гидроциклона; в - объемный расход питания гидроциклона; г - содержание класса -147 мкм в сливе гидроциклона; д - плотность питания гидроциклона второй стадии измельчения



Рисунок 11 - Динамические характеристики второй стадии технологического комплекса измельчения (возмущение по расходу воды в стадию): а - расход воды; б - плотность питания гидроциклона; в - объемный расход питания гидроциклона; г - содержание класса -147 мкм в сливе гидроциклона

Из приведенных динамических характеристик видно, что во всех точках технологического комплекса при возмущении по расходу руды наблюдается постепенный переход от одних технологических условий к другим, в то время как при возмущении по расходу воды происходит немедленное значительное изменение как плотности, так и гранулометрического состава слива гидроциклона. [3]

2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ И ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР ПО АВТОМАТИЧЕСКОМУ КОНТРОЛЮ И УПРАВЛЕНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

Особенности технологии измельчения оказывают большое влияние на технико-экономические показатели обогащения. Тесная связь с процессом классификации многофакторность процесса обуславливают необходимость автоматизации измельчения и определяют ее направление - комплексное регулирование измельчительных и классификационных агрегатов.

Большое число переменных технологических факторов - качество исходной руды по крупности, твердости, влажности; режимных - расход руды, воды, шаровой загрузки (при использовании барабанных мельниц), частоты вращении, состояния футеровки, конструктивных особенностей мельниц - создает определенные трудности при автоматизации процесса.

Некоторые параметры трудно использовать в качестве регулирующих воздействий из-за отсутствия контрольных устройств для оперативного измерения соответствующих параметров (например, гранулометрического состава руды, ее твердости), а также из-за структуры технологической цепи (например, регулирование измельчения путем изменения циркулирующей нагрузки возможно только при использовании полузамкнутых схем измельчения). Поэтому в качестве регулирующих воздействий в основном используется расход руды и воды в мельницу.

В качестве контролируемого параметра наиболее широко используют степень заполнения мельницы рудой, водой и измельчающими телами. Этот параметр, наиболее тесно связанный с показателями измельчения. Обычно измеряют косвенным путем: по динамическому воздействию загрузки на футеровку мельницы, по реакции опоры на нагрузку, по электрическим параметрам привода мельницы.

Научные исследования процесса приводят к выявлению новых физических сторон процесса и, как следствие, к использованию новых параметров управления, например применение «экзоэлектронного» параметра для управления процессом сухого измельчения в шаровой мельнице мокрого измельчения. Предложенный метод определения эффективности работы мельницы основан на том, что при измельчении в мельнице между находящимся в ней материалом и корпусом возникает разность электрических потенциалов. Опыты показали на наличие определенной зависимости меду силой тока и площадью свежеобразовывающихся поверхностей измельчаемого материала, т.е. эффективностью работы мельницы. Механизм появления тока полностью не выяснен, но сравнения с результатами, полученными при изучении электрических эффектов при бурении крепких пород, и теоретические соображения позволяют считать, что главными факторами являются дзета-потенциалы на частицах материала и окисление свежееобразовывающихся поверхностей.

Отсутствие надежных способов измерения некоторых специфических параметров процесса измельчения, в частности расхода руды, циркулирующей нагрузки в определенной степени сдерживают комплексное, многосвязное регулирование процесса измельчения.

Основными устройствами для измерения расхода руды являются конвейерные весы с механическим и электрическим преобразованием плотности пульпы, с корректировкой скорости движения ленты, т.е. перемещения материала. Выход песков определяют методом прямого взвешивания по электрическим параметрам привода классификатора, а также с помощью радиационных излучений.

Для разработок в области систем регулирования процесса измельчения характерен переход от простейших систем стабилизации и локального регулирования отдельных параметров к комбинированным многосвязным системам с учетом взаимосвязи регулируемых величин.

Системы управления загрузкой мельницы при работе в открытом цикле, напри- мер по ее значению (контролируемому путем измерения уровня шума, давления на опоры, электрических параметров привода мельницы и т.п.), построены на основе учета отдельных параметров.

В связи с неудовлетворительным качеством регулирования такими системами (а в некоторых случаях и ухудшением технологических показателей) были разработаны методические основы и созданы средства регулирования по отклонению и возмущению, т.е. комбинированные, многосвязные системы, основная характерная особенность которых - изменение регулируемого параметра в зависимости от пропорционального, совместного изменения ряда управляющих воздействий.

Дальнейшее совершенствование систем регулирования основано на расширении так называемой «многосвязности» объекта с использованием теории иерархических систем, поскольку с точки зрения технологии процесс измельчения (мельница - классификатор) включен как подсистема в технологическую цепь в целом. В связи с этим режимы работы отдельных операций выбирают с учетом оптимизации всей системы. Реализация этой методики возможна на основе методов математического моделирования и ЭВМ, использование которых открывает новые перспективы в развитии автоматизации.

Известны разработанные адаптивные (самонастраивающиеся) системы управления. Частный случай адаптивных систем - система экстремального регулирования. Однако в патентном материале эти системы практически не отражены. Вполне возможно, что разработку патентно-способных предложений затрудняет близость общеметодологических решений теории автоматического управления.

Анализ решений в области методов и систем регулирования позволяет сделать вывод, что современная теория автоматического управления предоставляет широкие возможности для разработки новых систем автоматического регулирования, используемых в настоящее время в недостаточной степени. Разработка и использование этих систем обеспечат значительное повышение качества продуктов обогащения.

Анализ патентного обзора представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты патентного обзора

Объект изобретения	Особенности изобретения	Страна	Номер авторского свидетельства или патента	Источник информации
Способ контроля загрузки мельницы	Измерение внутримельничной загрузки	СССР	210233, В02С 25/00	Б.И. № 6, 1968
То же	То же	»	347101, В02С 25/00	Б.И. № 5, 1973
»	»	»	620273, В02С 25/00	Б.И. № 31, 1978
Управление мельницей по степени загрузки	Регулирование по силе тока, потребляемого электроприводом	США	4210290, В02С 17/00 В02С 25/00	«Изобретения за рубежом», 1980
То же	Регулирование по потребляемо электроэнергии	Франция	2517219, В02С 14/00 В02С 25/00	То же, 1983
»	Регулирование по мощности или потребляемому току электроприводом	Великобритания	2090770, В02С 25/00	То же, 1982
»	То же	»	2091129, В02С 25/00	»
»	Регулирование по производительности, потребляемой мощности, текучести готового продукта, изменяемой подачей ПАВ	СССР	915961, В02С 25/00	Б.И. № 12, 1982
Регулирование загрузки	Управление по крутящему моменту привода	США	3351294, В02С 17/00	«Изобретения за рубежом», 1967
»	Управление по мощности, потребляемой приводом	»	3773268, В02С 17/100	То же, 1973
»	Управление по реакции опоры	ФРГ	1295988	То же, 1969
»	»	США	3350018	То же, 1967
»	»	»	3471094	То же, 1969
»	»	Япония	44-93960	То же, 1972
»	»	ФРГ	1272691	«Изобретения за рубежом», 1968
»	»	Великобритания	1104131	То же, 1968
»	Управление по загрузке и крупности измельчения	СССР	619205, В02С 25/00	Б.И. № 30, 1978
	Управление по производительности, запасу материала в мельнице и плотности готового продукта	»	1096375, В02С 25/00	Б.И. № 21, 1984
Способ регулирования процесса измельчения	Управление по комбинированному параметру давления смазки и потребляемой мощности привода	»	1066649, В02С 25/00	Б.И. № 2, 1984
»	Управление по комбинации параметров	»	1039560, В02С 25/00	Б.И. № 33 1983
»	Управление по комбинированному управлению загрузкой шаров и руды	»	492303, В02С 25/00	Б.И. № 43, 1975
»	То же	»	478606, В02С 25/00	Б.И. № 48, 1975
Регулирование степени измельчения	Управление по крупности измельчения	ФРГ	1253246, В02С 25/00	«Изобретения за рубежом», 1968
Регулирование степени измельчения	Управление по крупности измельчения	ФРГ	1507466, В02С 25/00	То же, 1970
То же	То же	»	1607437, В02С 25/00	»
»	»	СССР	503593, В02С 25/00	Б.И. № 7, 1976
»	Управление по степени измельчения и числу Пекле	»	1000105, В02С 25/00	Б.И. № 8, 1983
»	Управление по частоте выхода недоизмельченных кусков	»	1065020, В02С 25/00	Б.И. № 1, 1984
»	управление по отклонению частоты выхода недоизмельченных кусков	»	1066647, В02С 25/00	Б.И. № 2, 1984
»	Управление по содержанию полезного минерала в сростках	СССР	919741, В02С 25/00	Б.И. № 14, 1982
»	Управление по вязкости и влажности шлама	»	1033197, В02С 25/00	Б.И. № 29, 1983
Регулирование по уровню шума	Выделение спектра акустического сигнала уровня шума	»	358687, В02С 25/00	Б.И. № 34, 1972
»	То же	ФРГ	1607560, В02С 25/00	«Изобретения за рубежом», 1970
»	»	США	3690570, В02С 25/00	То же, 1972
»	Управление по комбинации параметров	СССР	961776, В02С 25/00	Б.И. № 36, 1982
Регулирование по циркулирующей нагрузке	Управление по массе твердого	США	3779469, В02С 25/00	«Изобретения за рубежом», 1973
То же	Управление по степени загрузки	СССР	481315, В02С 25/00	Б.И. № 31, 1975
»	Управление по расходам твердого, воды и пульпы	»	388790, В02С 25/00	Б.И. № 29, 1973
»	Управление по расходу руды с коррекцией по циркулирующей нагрузке	»	503592, В02С 25/00	Б.И. № 7, 1976
»	Управление по силе тока, потребляемого двигателем	ФРГ	1285278, В02С 25/00	«Изобретения за рубежом», 1968
»	Управление по уровню и плотности циркулирующей нагрузке	США	3417927, В02С 25/00	То же
»	Управление по мгновенным значениям циркулирующей нагрузки	СССР	902831, В02С 25/00	Б.И. № 5, 1982

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

3.1 Структурная идентификация комплекса

Под структурной идентификацией технологического объекта (комплекса) или отдельных элементов комплексов понимают выбор или определение алгоритмической структуры математической модели объекта, комплекса или элемента на основании анализа связей входных и выходных параметров объекта, оценки влияния входных параметров на выходные и выделения из множества входных и выходных параметров наиболее значимых.

Структурная идентификация технологического объекта включает следующие операции:

выделение объекта из общей схемы;

ранжирование входов и выходов объекта по степени их влияния на выполнение целей управления;

определение рационального числа входов и выходов объекта, учитываемых в модели;

определение характера связей между входами и выходами объекта.

Структура динамических моделей технологических объектов (комплексов) связана с априорной формой математического описания исследуемого объекта.

Существуют различные способы математического описания исследуемых объектов:

1. Дифференциальными уравнениями связи:

а) между входными U1…Up и выходными у1…уq параметрами (стандартная форма)



б) между входными воздействиями и переменными состояния процесса (х1…хn), которые записывают либо в форме системы уравнений первого порядка (нормальная форма):

либо в векторно-матричном виде

где матрица А=[бSj], B=[вSj], г=[гSk] имеют размеры (n*n),(n*f),(n*q) соответственно.

2.Матрицей [Wik(p)] передаточных функций, дающих алгебраическую связь между изображениями по Лапласу входов и выходов:

[2]

Структура отражает связи входных управляющих воздействий - расхода руды () и расхода воды () в мельницу, а также возмущающего воздействия - относительного содержания готового класса в исходной руде () с выходными параметрами мельницы - расходом твердого () и воды () со сливом мельницы и производительностью мельницы по готовому классу ().

3.2 Параметрическая идентификация технологического комплекса

Под параметрической идентификацией понимают определение численных значений параметров оператора математической модели объекта, связывающего входы и выходы модели. Таким оператором, в нашем случае, является матрица передаточных функций, дающих алгебраическую связь между изображениями по Лапласу входов и выходов модели. Таким образом, параметрическая идентификация заключается в определении численных значений параметров передаточных функций по отдельным каналам связи модели (ki, Ti, фi).

Технологические комплексы измельчения включают в себя мельницы и классифицирующие аппараты (спиральные классификаторы).

Характеристика элементов технологического комплекса измельчения как объектов управления приведена в пункте 1.2.

Все элементы технологических комплексов измельчения по различным каналам могут быть идентифицированы инерционными звеньями первого порядка с запаздыванием. Такое представление достаточно для моделирования технологических процессов при инженерных расчетах автоматических систем регулирования.

Расчет коэффициентов передаточных функций ведется на основании качественно-количественной схемы процесса (рисунок 2).

Анализ питателя как объекта управления приведен выше в пункте 1.1.

По различным каналам связи питатель можно идентифицировать передаточной функцией звена первого порядка с запаздыванием:

,

где Кп - коэффициент передачи питателя по конвейерному каналу;

Тп - постоянная времени двигателя;

- время запаздывания.

Соотношение между инерционной и запаздывающей частями выражения для различных каналов изменяется.

По каналу «положение затвора на бункере Qр - производительность Qрп» преобладающее влияние оказывает запаздывающая составляющая передаточной функции:

.

Время запаздывания определяется из выражения:

,

Где: Lк - длина конвейера, м;

Vк - скорость движения ленты конвейера, м/с;

Lк = 10 м;

Vк = 2 м/с.

К1== 1;

с-1;

.

По основному каналу регулирования «частота вращения привода питателя n - производительность питателя по исходной руде Qрп» преобладает инерционная составляющая, определяемая движущимися массами электромеханической системы и руды на питателе. Запаздывание определяется временем падения руды с питателя до уровня ее в дробилке или грохоте.

Коэффициент передачи питателя по этому каналу определяется типом питателя и его техническими параметрами:

,

где: Qпр.ном - номинальная (паспортная) производительность питателя, т/ч;

nп.ном - номинальная (паспортная) частота вращения привода питателя, об/мин.

nп.ном=1500 об/мин.

[].

Постоянную времени Тп по этому каналу ориентировочно можно определить для конвейерных питателей по формуле:

,

где Nп.ном - номинальная мощность электропривода двигателя, кВт;

Nп.ном=25 кВт.

с;

.

По каналу «Q-0,074 - Qп-0,074» передаточная функция будет иметь следующий вид:

= 1;

.

Мельница МCЦ 2100Ч3000.

Динамические свойства барабанных мельниц определяются как конструктивными параметрами мельниц, так и технологическим параметрами.

Конструктивные и технологические параметры измельчения определяют время пребывания (время измельчения) материала в барабане мельницы, которое определяется из выражения

;

Где ц - коэффициент заполнения барабана мельницы пульпой;

Vм - объем барабана мельницы;

м3;

Dм, Lм - диаметр и длина барабана мельницы;

Qвых - объемный расход пульпы;

м3/ч;

с;

с;

с;

с;

с;

;

;

;

;

;

.

Вторая стадия классификации.

Классификатор спиральный 1КСН-20М1.

По заданию преподавателя принимаем:

Тсл = 120 с;

фсл = 40 с;

Тп = 220 с;

фп = 600 с.

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Мельница МШЦ 2100Ч3000.

м3;

м3/ч;

с;

с;

с;

с;

с;

;

;

;

;

;



.

Третья стадия классификации.

Классификатор спиральный 1КСН-24М1.

По заданию преподавателя принимаем:

Тсл = 250 с;

фсл = 90 с;

Тп = 450 с;

фп = 660 с.

автоматизация технологический комплекс измельчение

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Мельница МШЦ 2100Ч3000.

м3;

м3/ч;

с;

с;

с;

с;

с;

;

;

;

;

;

. [2]

Таблица 3 - Параметры передаточных функций всего технологического комплекса

Передаточная функция	К, ед.вых/ед.вх.	Т, с	ф, с-1
W1(р)	1	0	5
W2(р)	0,03	2,94	5
W3(р)	1	0	5
W4(р)	1	258,7	139,3
W5(р)	1	358,2	19,9
W6(р)	1,14	358,2	19,9
W7(р)	5	258,7	139,3
W8(р)	0,29	120	40
W9(р)	0,71	220	600
W10(р)	0,27	220	600
W11(р)	0,73	120	40
W12(р)	0,11	220	600
W13(р)	0,27	120	40
W14(р)	0,61	120	40
W15(р)	0,24	220	600
W16(р)	1	96,2	32,1
W17(р)	1	115,5	6,4
W18(р)	0,45	115,5	6,4
W19(р)	2,1	96,2	32,1
W20(р)	0,29	250	90
W21(р)	0,71	450	660
W22(р)	0,27	450	660
W23(р)	0,73	250	90
W24(р)	0,11	450	660
W25(р)	0,22	250	90
W26(р)	0,65	250	90
W27(р)	0,35	450	660
W28(р)	1	61,2	20,4
W29(р)	1	73,4	4,1
W30(р)	0,38	73,4	4,1
W31(р)	1,6	61,2	20,4

3.3 Исследование статических и динамических свойств комплекса

Исследование статических и динамических закономерностей технологического комплекса измельчения на модели по основным каналам возмущающих и управляющих воздействий производилось с помощью математического пакета MATLAB.

Результаты моделирования представлены в виде графиков, связывающих входные и выходные величины комплекса измельчения.

Получили переходные характеристики по следующим заданным каналам управления:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

Статические характеристики

По полученным переходным характеристикам можно сказать, что по любому каналу объект обладает самовыравниванием, объект статический. В качестве системы автоматического регулирования выбираем систему стабилизации расхода воды в классификатор 3-ей стадии с коррекцией по плотности слива.

4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

4.1 Выбор структуры управления технологическим комплексом

Технические средства электрической ветви ГСП характеризуются высокой чувствительностью, точностью, значительным быстродействием, возможностью передачи сигналов на большие расстояния, высокой степенью унификации (схемной и конструктивной). Приборы электрической ветви обеспечивают возможность непосредственной связи с управляющими вычислительными машинами, что очень важно при функционировании автоматической системы регулирования в составе АСУТП в составе обогатительной фабрики. Электрическая ветвь ГСП непрерывно совершенствуется на базе новых схем и элементов, что приводит к уменьшению габаритов и массы приборов, расширению их функциональных возможностей повышению надежности и сокращению потребляемой энергии.

Технические средства пневматической ветви ГСП могут использоваться во взрывоопасных и агрессивных средах, они надежно работают в тяжелых условиях, при наличии пыли, вибрации, устойчивы к перегрузкам.

Блочная структура позволяет на элементах пневматики реализовать любые сложные системы контроля и регулирования.

Недостатками приборов пневматической ветви являются ограниченная протяженность каналов связи, малое быстродействие по сравнению с приборами электрической ветви, необходимость сухого и сжатого чистого воздуха.

Технические средства гидравлической ветви ГСП позволяют получить при небольших габаритах значительные механические усилия с высокой точностью, устройства работают в тяжелых условиях, позволяют простыми средствами плавно изменять регулирующее воздействие в широких диапазонах. Недостатками этих приборов являются ограниченность радиуса действия и необходимость специального источника энергии.

Исходя из вышеперечисленного, выбираем электрическую ветвь государственной системы промышленных приборов так как в данном случае она обладает рядом преимуществ перед пневматической и гидравлической ветвями ГСП.

Для разрабатываемого проекта автоматизации технологического комплекса измельчения выбираем следующую структуру управления:

И используем следующую структуру управления:

Приборы по месту

2) Щит КИП и А

3) Контрольный уровень

ЭВМ (Scada - уровень)

4.2 Выбор принципов контроля и управления комплексом измельчения

Технологический комплекс измельчения является важной частью процесса обогащения с дорогой инвестиционной стоимостью и высокими эксплуатационными расходами. От эффективности работы измельчения зависят эффективность и рентабельность всего процесса обогащения.

Измельчение является одним из самых сложных процессов с точки зрения регулирования. Оно крайне нелинейное. Параметров регулирования очень много и они сильно связаны друг с другом. Контур измельчения чувствителен ко многим помехам и компенсация их влияния требует мощного регулирования. Обыкновенные контуры регулирования могут хорошо работать в некоторых случаях, но они не учитывают нарушения режима и могут полностью испортить весь процесс. Поэтому регулирование процесса измельчения требует не только непрерывного регулирования, но и логического управления, которое при необходимости может изменять стратегию регулирования.

Основная задача процесса измельчения - обеспечение подготовки пульпы к обогащению (крупность, раскрытие минералов и так далее). В цикле измельчения должно перерабатываться плановое количество руды.

В связи с этим цели управления технологическим комплексом измельчения могут быть следующие:

а) стабилизация гранулометрического состава продукта измельчения

(б-0.074=const) при постоянной производительности цикла по исходной руде (Qp=const);

б) стабилизация гранулометрического состава и плотности пульпы, поступающей в процесс обогащения (б-0.074,дсл=const):

в) обеспечение максимального выхода готового класса (qг.сл>max);

г) стабилизация гранулометрического состава продукта измельчения (б-0.074=const) при максимальной производительности цикла по исходной руде (Qp>max).

При управлении технологическим комплексом для достижения целей управления необходимо компенсировать следующие возмущения: изменения физико-механических свойств руды, вызывающие постепенное изменение расхода и гранулометрического состава пульпы на выходе комплекса; изменения количественных характеристик входных потоков руды и воды, ведущие к изменению расхода и гранулометрического состава пульпы; изменения расходных характеристик потоков пульпы внутри комплекса, ведущие к неравномерности питания классифицирующих аппаратов и нарушению условий классификации. Поэтому для достижения целей управления процессом измельчения необходимо решение следующих задач:

а)стабилизация входных потоков руды и воды;

б)стабилизация условий измельчения;

в)стабилизация условий классификации;

г)стабилизация гранулометрического состава выходного потока пульпы;

д)компенсация изменения физико-механических свойств исходной руды.

Технологический комплекс измельчения является достаточно изученным, поэтому было предложено множество принципов управления им, которые можно классифицировать по виду применяемых управляющих воздействий.

Принцип управления, использующие в качестве управляющего воздействия расход исходной руды в технологический комплекс.

Принципы управления, использующие управляющим воздействием расход воды в барабан.

Принцип управления уровнем пульпы в зумпфе насоса гидроциклона.

Принципы управления гранулометрическим составом выходного продукта комплекса.

Принципы управления расходом измельчающей среды в барабан мельницы. [3]

4.3 Аппаратурная реализация систем автоматизации комплекса измельчения

В Приложении 2 представлена схема автоматизации трехстадиального технологического комплекса измельчения. Основу приведенной системы автоматического управления составляют следующие локальные системы контроля и регулирования:

1) Система стабилизации расхода руды в стержневую мельницу изменением частоты вращения привода питателя (2а, 2б - 2в - контроллер - 2г) с коррекцией по уровню заполнения барабана мельницы (3а - 3б - Зв - контроллер);

2) система стабилизации соотношения «руда - вода» в стержневую мельницу изменением расхода воды в мельницу (2а, 2б - 2в, 4а - 4б - 4в - контроллер - 4г);

3) системы стабилизации расходов воды в ШМ1 (6а - 6б - контроллер - 6в - 6г) и ШМ2 (7а- 7б - контроллер - 7в - 7г) изменением положения регулирующего клапана на водопроводе;

4) система стабилизации расхода воды в классификатор второй стадии изменением положения регулирующего клапана на водопроводе (5а - 5б - контроллер - 5в - 5г);

5) система стабилизации расхода воды в классификатор третьей стадии изменением положения регулирующего клапана водопровода (8а - 8б - контроллер - 8в - 8г) с коррекцией по плотности слива классификатора (9а- 9б - 9в - контроллер) или по гранулометрическому составу слива (10а - 10б - контроллер);

6) система автоматического контроля уровня руды в бункере комплекса (1а - 1б - контроллер);

7) система автоматического контроля объемного расхода пульпы на сливе гидроциклона последней стадии (11а - 11б - контроллер);

8) система автоматического контроля температуры подшипников мельниц (12а, 12б, 12в - контроллер).

На верхний уровень системы управления (Scada - уровень) передается информация о расходах воды в технологический комплекс (Bi3, Bi4, Bi5, Bi6, Bi7), руды (Bi2), уровня руды в бункере комплекса (Bi1), параметрах выходного потока комплекса (объемном расходе - Bi10, плотности - Bi8, грансостава - Bi9).

По требованиям последующего процесса обогащения с верхнего уровня управления (Scada - уровень) может производиться корректировка заданий по производительности комплекса, плотности или гранулометрическому составу выходного потока слива классификатора последней стадии.

Аппаратурная реализация систем автоматизации технологического комплекса измельчения представлена в приведенной в Приложении 3 спецификации к схеме автоматизации технологического комплекса.

5. СИНТЕЗ ЛОКАЛЬНОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

5.1 Выбор датчика и вторичного прибора

Учитывая специфику проектируемой системы автоматизации комплекса измельчения в условиях ЗАО "Ормет", выбираемый датчик расхода должен удовлетворять следующим требованиям:

- быть приспособленным для работы в условиях измеряемой среды (вибрация, шумы от рядом работающих электродвигателей);

- иметь стандартные выходные сигналы (0-5, 4-20 мА);

- иметь драйвер для связи датчика с контроллером.

Для измерения расхода воды в классификатор третьей стадии я выбрал датчик с преобразователем SITRANS F фирмы Siemens.

Ультразвуковой расходомер SITRANS F предназначен для измерения расхода как проводящих, так и непроводящих жидкостей. Благодаря новому шестигранному пути луча точность не зависит от типа потока. Температура, плотность, вязкость и проводимость среды также не влияют на результат измерения. Для наблюдения за качеством продукта скорость движения ультразвука в среде может быть считана. Поддерживает интерфейсы HART и PROFIBUS-PA.

Технические характеристики SITRANS F:

*Диаметр и максимальный расход:

- DN 25/1" -- 17 м3/ч,

- DN 50/2" -- 70 м3/ч,

- DN 80/3" -- 180 м3/ч,

- DN 100/4" -- 300 м3/ч

* Аналоговый выход 4-20 мА;

* Цифровой выход 1: импульс (по расходу), частота (по расходу) или состояние прибора;

* Цифровой выход 2: реле, состояние прибора, направление потока или превышение граничного значения (по расходу, температуре, скорости ультразвука в среде или амплитуде сигнала);

* Точность измерения импульсного выхо...