Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТСВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

разработка проекта модернизации заводской котельной

Студент группы А.С. Чайкин

Руководитель

Ст. преподаватель И.А. Иванова/

Консультанты:

Доцент, кандидат технических наук

А.С. Таранов/

Доцент, кандидат технических наук

Н.К. Смирнова/

Заведующий кафедрой

Доцент, кандидат технических наук

В.П. Кузнецов/

Курган 2010 г.

Аннотация

В данном дипломном проекте описывается разработка проекта модернизации заводской котельной.

Проведен анализ технологического процесса и характеристик необходимого оборудования.

Приведена декомпозиционная схема и результаты синтеза решений задачи автоматизации узла. Спроектированы элементы системы управления. Осуществлен экономический анализ, а также разработаны условия безопасности и экологичности проекта.

Введение

Производство глинозема

Исходный материал для электролитического производства алюминия - это чистый оксид алюминия - глинозем. Для выделения глинозема из алюминиевых руд его переводят в растворимую соль (алюминат натрия), которую отделяют от остальных компонентов руды, осаждают из ее раствора гидроксид алюминия и кальцинацией последнего получают глинозем.

Метод выделения глинозема из руды зависит от ее состава. Эти методы подразделяются на химико-термические (пирометаллургические), кислотные и щелочные (гидрометаллургические). К пирометаллургическим методам относится метод спекания; к гидрометаллургическим методам - щелочной метод Байера.

Метод Байера (мокрый метод, метод выщелачивания) является наиболее распространенным методом производства глинозема. В основе метода лежит обратимый процесс взаимодействия гидратированного оксида алюминия с водным раствором гидроксида натрия с образованием алюмината натрия. Метод применяется для выделения глинозема из бокситов с малым (менее 5%) содержанием оксида кремния. При большем содержании метод становится экономически невыгодным вследствие высокого расхода дорогой щелочи на взаимодействие с оксидом кремния.

Метод спекания. В основе лежит процесс образования алюминатов натрия в результате взаимодействия при высокой температуре оксида алюминиевой руды с карбонатами металлов, с последующим выщелачиванием алюминатов водой и разложением их оксидом углерода (IV).

Процесс производства глинозема методом спекания универсален и пригоден для переработки всех видов алюминиевого сырья. На практике его применяют для нефелинов и бокситов с высоким (более 5%) содержанием оксида кремния.

На рассматриваемом предприятии используется метод Байера, так как он является основным и наиболее распространенным методом производства глинозема.

Первым этапом процесса выделения глинозема по методу Байера является дробление боксита и мокрый размол его в среде оборотного щелочного раствора с образованием пульпы.

1. Описание и анализ объекта автоматизации

В данном курсовом проекте требуется модернизировать АСУ дробления твердых пород (бокситов) для Уральского алюминиевого завода

Дробление материалов ведут в одну или несколько стадий. Преимущественное распространение получило стадийное дробление, при котором материал дробят в 2...3 приема на дробилках разных типов. Уже на каждой стадии дробления получают материал с требуемыми размерами кусков. Такие куски отсеиваются на грохоте, установленном перед дробилками разных стадий. Дробилки последних стадий работают, как правило, в замкнутом цикле с виброгрохотом, при этом материал крупнее заданного размера возвращается в ту же дробилку для повторного дробления (рис. 1).

Рис. 1. Схема дробильно-сортировочной установки: 1 - вагонетка; 2 - пластинчатый конвейер; 3 - колосниковый грохот;4 - щековая дробилка; 5 - виброгрохот; 6 - молотковая дробилка;7 - виброгрохот; 8 - бункер для песка и пыли; 9 - расходный бункер; 10 - склады товарного щебня

При одностадийном дроблении получаемые мелкие зерна заполняют промежутки между крупными и защищают их от непосредственного воздействия дробящих органов машины, что сопровождается дополнительным измельчением материала и расходом энергии.

Основными показателями работы дробилок являются: максимальная крупность дробления, степень измельчения, удельный расход энергии (кВт * ч/м3), производительность (м3/ч или т/ч).

Дробилки классифицируют на щековые, конусные, валковые, молотковые и роторные. В данном курсовом проекте рассматривается дробильный комплекс на основе молотковой дробилки.

Щековые дробилки применяют как для первичного (грубого), так и для вторичного или среднего (и мелкого) дробления каменных пород любой прочности. В настоящее время в промышленности нерудных строительных материалов их используют в основном для среднего и мелкого дробления и реже для крупного. Эксплуатация щековых дробилок крупного дробления подтверждает, что они свободно достигают паспортной производительности и могут работать с перегрузкой до 15-20 %. В отличие, например, от конусных, щековые дробилки более производительны (хотя и более сложны), процесс дробления в них непрерывный, при эксплуатации допускают некоторые перегрузки.

На заводах применяют щековые дробилки двух типов - с простым и сложным качанием подвижной щеки, последняя посажена на горизонтальную ось, опирающуюся на два подшипника. Каждая точка подвижной щеки, периодически приближаясь и удаляясь от неподвижной, описывает дугу окружности. Щель между неподвижной и подвижной щеками при этом то уменьшается, то увеличивается и куски материала, находящиеся между ними, сначала раздавливаются, а затем выпадают из дробилки.



Рис. 2.1. Кинематические схемы щековых дробилок: а -- с простым движением щеки; б -- со сложным движением щеки

У дробилок со сложным качанием подвижной щеки (рис. 2.1, б) верхний конец ее подвешен к вращающемуся эксцентриковому валу, а нижний шарнирно связан тягой с задней торцовой стенкой корпуса дробилки. При вращении вала каждая точка щеки движется по замкнутой кривой, т. е. качается по дуге окружности и поступательно перемещается вверх -- вниз вдоль щеки. Материал, зажатый между щеками такой дробилки, не только раздавливается, но и истирается. У таких дробилок относительно небольшая производительность и их в цементной промышленности применяют редко.

В конусных дробилках материал раздавливается между поверхностями двух конусов: вращающимся внутренним 1 и неподвижным внешним 2 конусом. В зависимости от типа дробилки внутренний конус совершает круговые колебания по одной из трех схем. (рис. 2.1)



Рис. 2.2 Расположение конусов дробилки

В конусных дробилках с крутым конусом и подвешенным валом (рис. 2.2, а) внутренний конус совершает круговые колебания около неподвижной точки О, находящейся на оси наружного конуса, при этом центр основания внутреннего конуса описывает окружность вокруг этой оси. В конусных дробилках с крутым конусом (рис. 2.2,6) круговые колебания внутреннего конуса 1 совершаются с перемещением его оси по образующей А -- В цилиндра с радиусом, равным эксцентриситету Г. В дробилках с консольным валом (рис. 2.2, в) точка О, вокруг которой совершаются круговые колебания внутреннего конуса 1, смещена вниз до уровня верхней кромки наружного конуса 2. При круговых колебаниях поверхность внутреннего конуса поочередно то приближается, то удаляется от нее. В момент приближения внутреннего конуса к поверхности внешнего происходит дробление, а при удалении раздробленный материал под действием собственного веса выпадает из кольцевого отверстия дробилки. Таким образом, дробление и разгрузка в дробилке происходит непрерывно.

Дробилки с подвешенным валом и эксцентриковые применяют для крупного, а дробилки с консольным валом - для среднего и мелкого дробления, в основном для вторичного дробления. Конусные дробилки -- для среднего и мелкого дробления, в основном для вторичного дробления. Конусные дробилки для среднего и мелкого дробления характеризуются диаметром основания дробящего конуса, а дробилки крупного дробления с крутым конусом - шириной загрузочного отверстия.

На рассматриваем объекте автоматизации одним из видов машин для дробления и измельчения строительных материалов является молотковая дробилка.

В основу конструкции положен принцип многоярусной дробилки ударного действия с вертикальной осью вращения рабочего органа. В качестве рабочих элементов применены шарнирно закрепленные ударные элементы. Между рядами ударных элементов на внутренней поверхности корпуса установлены отражатели, предотвращающие проскоки не измельченного материала вдоль стенок корпуса. Отражатели способствуют возвращению материала в зону обработки и увеличению кратности воздействия на него.



Рисунок 2 - Молотковая дробилка

1 - кожух; 2- ротор; 3 - колосниковая решетка; 4 - эксцентрик; 5 - вал ротора; 6 - подшипники вала ротора; 7 - муфта; 8 - диски ротора; 9 - стержни; 10 - молотки; 11 - загрузочное окно; 12 - крышка смотрового люка; 13 - броневые плиты; 14 - карман; 15 - боковые броневые плиты; 16 - рычаги колосниковой решетки; 17 - ось рычагов; 18 - соединительные стержни; 19 - вал эксцентрика; 20 - тяга; 21 - пружина замыкающего механизма; 22 - вал электродвигателя; 23 - рукоятка

Предложенная дробилка обладает рядом дополнительных преимуществ перед машинами ударного действия:

- меньшей удельной мощностью (на единицу продукции). Молотковые дробилки такой же производительности имеют электродвигатель в 1,5..2,0 раза большей мощности, чем центробежные дробилки;

- попадание даже крупных недробимых включений не приводит к поломке машины, так как рабочий элемент отклоняется в сторону и не препятствует их прохождению;

- более лучшими условиями ремонта, т.е. широким доступом ко всем механизмам, быстросъемностью узлов и ударных элементов;

- совмещением технологических операций, т.е. совмещением процессов дробления, смешивания и сушки;

- удалением из технологического процесса рассева по фракциям;

- способностью работать как по сухому, так и по мокрому способу.

Дробилка предназначена для переработки материалов, обладающих повышенной пластичностью.

На рисунке 2 представлен общий вид дробилки.

Она состоит из рабочей камеры 1 с крышкой 2 и дном 3. В крышке 2 находится загрузочное отверстие 4: а в дне 3 - выходное.

Внутри рабочей камеры 1 установлен рабочий вал закрепленный в подшипниковых опорах. На рабочем валу закреплены рабочие органы - била. Рабочий вал приводится во вращение клиноременной передачей 5 от электродвигателя 6.

Клиноременная передача 5 имеет защитный кожух.

Электродвигатель 6 закреплен на плите 7 с натяжным устройством .

На стенках рабочей камеры, имеются два ряда отбойников, предназначенных для предотвращения проскока неизмельченного материала в зазоре между стенкой корпуса и свободными концами рабочих органов.

Рабочая камера 1 имеет дверь 8, предназначенную для ремонтных работ при замене бил. Дробилка должна устанавливаться опорами 9 на раму 10 при монтаже. Обрабатываемый материал должен поступать в рабочую камеру через загрузочное отверстие в крышке в непрерывном режиме при включенном приводе (вращение рабочего вала). В рабочей камере он обрабатывается рабочими органами и через выходное отверстие дна 3 удаляется.

Регулирование степени измельчения осуществляется изменением количества (скоростью) подаваемого в зону обработки материала. Также возможна регулировка путем установки или удаления яруса бил.

1.2 Анализ существующих систем управления

Основное требование к процессу дробления заключается в уменьшении крупности материала до определяемой потреблением величины. Материалы, поступающие на дробление, как правило, отличаются значительными колебаниями физико-механических свойств и в первую очередь гранулометрического состава. Задача автоматического регулирования процесса дробления заключается в поддержании заданной крупности конечного продукта и в максимальном использовании подводимой к дробильным агрегатам энергии за счет оптимальной загрузки дробилок, а также получение наибольшей возможной производительности конечного продукта и в максимальном использовании подводимой к дробильным агрегатам энергии за счет оптимальной загрузки дробилок, а также получение наибольшей возможной производительности конечного продукта при наибольшей загрузке камеры дробления дробилок. В настоящее время дробилки имеют входные отверстия размером до 3100x3300 мм. Такие крупные куски могут стать причиной возникновения пиков момента сопротивления, которые приближаются к предельному вращающему моменту двигателя привода. Дальнейшая перегрузка может вызвать остановку дробилки, которую затем приходится освобождать вручную, что приводит к длительным простоям.

Наиболее простой схемой контроля и поддержания верхнего уровня заполнения камеры дробления является схема с уровнемером, устанавливаемом на неподвижной боковой стенке дробилки на высоте, равной примерно 2/3 высоты камеры дробления. При равенстве в установившемся режиме производительности питателя и дробилки уровень заполнения меняется незначительно. В случае снижения производительности дробилки питатель останавливается или переводится на пониженную скорость подачи.

В качестве уровнемера может быть использовано гамма-радиоактивное реле, электронный сигнализатор уровня и т.п. Такая система автоматического регулирования обеспечивает безаварийную эксплуатацию узла «питатель - дробилка», надежно контролирует и предотвращает переполнение камеры дробления при не соответствии производительностей питателя и дробилки, а также при попадании в камеру дробилки негабаритов или металла. Существуют также системы регулирования производительности дробилки по току двигателя дробилки или по мощности, затрачиваемой двигателем дробилки, но схемы регулирования загрузки дробилки по уровню предпочтительнее схем регулирования по току или расходу энергии, поскольку первые точнее позволяют определять истинную загрузку дробилки и поддерживать ее на максимальном значении при изменяющемся качестве исходного питателя. Однако более перспективными являются комбинированные схемы, которые регулируют производительность дробилки по нескольким параметрам.

С целью повышения точности регулирования была разработана система с коррекцией по текущему значению производительности (рис. 2.3), измеряемой косвенным образом по мощности, потребляемой приводным двигателем отводящего конвейера. Поддержание заданной производительности дробилки достигается путем настройки датчиков 1Дн и 2Дн. Если нагрузка приводных двигателей 5 и 1 отводящего конвейера и дробилки меньше заданной, то с помощью выходных реле датчиков 2 и 4 через электронный блок 3 подается команда на включение пластинчатого питателя 6. В процессе дробления питатель отключается в том случае, когда нагрузка хотя бы на одном из двигателей превышает значение, на которое настроены датчики.

Рис. 2.3 Система с коррекцией по текущему значению производительности

В данной системе автоматической загрузки дробилки регулируемые параметры - производительность и уровень - контролируются электротензометрическими конвейерами веса 1 и фотоэлектрическим уровнемером 2.



Рис. 2.4 Система автоматической загрузки дробилки

Два контура управления, включающие в себя регуляторы уровня и производительности 3 и 4, через промежуточный блок 5 воздействует на ток подмагничивания однофазных силовых магнитных усилителей 6. Выпрямленное напряжение усилителей подается на обмотку якоря приводного электродвигателя дробилки. Если в автоматическом режиме регулируемые величины превысят установленные для них предельные значения, на блок 5 поступит сигнал, и питатель выполняющий функцию исполнительного органа, до тех пор будет снижать свою производительность, пока сигнал не исчезнет. Если уровень не превышает нижнего заданного значения (0,6 высоты камеры дробления), регулятор уровня выключается, и регулирование осуществляется по производительности. При заполнении дробилки до верхнего максимального допустимого значения - 0,9 высоты камеры-регулятор останавливает питатель. При опускании уровня заполнения ниже предельного значения регулирование ведется только по сигналу датчика производительности. Недостаток системы заключается в применении системы регулирования релейного действия. Это приводит к быстрому износу пусковой аппаратуры, редуктора и пластинчатого питателя из-за частых пусков. Но эта система может быть превращена в линейную систему управления при соответствующей замене аппаратуры. Вместо привода релейного действия может быть применен привод пластинчатого питателя с индукторной муфтой скольжения; привод с двигателем постоянного тока, питателем от управляемого магнитного усилителя, или привод с кремниевым выпрямителем. В этом случае получается система регулирования производительности конечного продукта дробления с последовательной коррекцией по значению производительности.

1.3 Функционально-стоимостной анализ базовой СУ

Используя корректирующую форму ФСА, в данной работе производится анализ базового варианта технической системы, подвергающейся инновационным преобразованиям в курсовом проекте. В результате данного анализа в базовом варианте необходимо обнаружить функциональные и структурные элементы системы, обладающие экономической несостоятельностью или функциональной недостаточностью.

Построение структурной модели

Структурная модель (СМ) - это упорядоченное представление элементов объекта и отношений между ними, дающее представление о составе материальных составляющих объекта, их основных взаимосвязях и уровнях иерархии. Для построения СМ рекомендуется использовать методику логической цепочки.

Рис. 1. Структурная модель базовой системы управления линией дробления бокситов

Рис. 2. Функциональная модель базовой системы управления линией дробления бокситов



Построение функциональной модели

ФМ - это логико-графическое изображение состава и взаимосвязей функций объекта, получаемое с помощью их формулировки и установления порядка подчинения.

ФМ также должна строиться на основе техники систематизированного анализа функций.

При этом необходимо руководствоваться следующими правилами:

а) линии критического пути ФМ должны соответствовать тем функциям, которые должны быть выполнены обязательно для реализации главной функции изделия;

б) соответствие выделяемой функции как частным целям данной составляющей объекта, так и общим целям, ради которых создается объект;

в) чёткая определенность специфики действий, обуславливающих содержание выделяемой функции;

г) соблюдение строгой согласованности целей и задач, определивших выделение данной функции, с действиями, составляющими ее содержание;

д) функции верхнего уровня должны являться отражением целей для функций нижестоящего уровня;

е) сигналом к завершению построения ФМ должна являться невозможность дальнейшей дифференциации функций без перехода от функций к предметной форме их исполнения.

Построение совмещённой функционально-стоимостной модели

ФСМ объекта пригодна для выявления ненужных функций и элементов в объекте (бесполезных и вредных); определения функциональной достаточности и полезности материальных элементов объекта; распределения затрат по функциям; оценки качества исполнения функций; выявления дефектных функциональных зон в объекте; определения уровня функционально-структурной организации изделия.

Построение ФСМ осуществляется путем суперпозиции ФМ и СМ объекта.

Таблица 1. Функционально-стоимостная модель базового варианта

Индекс ф-ции	Наименование функции	Материальный носитель функции	r	R	Q	Sабс	Sотн
f1.1	Лампы сигнальные	Лампы сигнальные	0,5	0,05	0,05	200	0,048
f1.2	Сирена	Сирена	0,5	0,05	0,05	500	0,024
f2.1	Привод дробилки	Электродвигатель	0,4	0,05	0,05	74000	0,016
f2.2	Привод заслонки питателя	Электродвигатель	0,2	0,02	0,02	8000	0,167
f2.3	Привод траснпортёра	Электродвигатель	0,4	0,04	0,04	68000	0,64
f3.1	Реле давления	Реле давления	0,2	0,02	0,02	1000	0,222
f3.2	Пускатели магнитные	Пускатели магнитные	0,2	0,02	0,02	6500	0,048
f3.3	Управление	Кнопки управления	0,1	0,01	0,01	100	0,02
f3.4	Платы управления	Платы управления	0,5	0,05	0,05	42000	0,08
f4.1	Измерение температуры	Датчик температуры	0,3	0,03	0,03	1200	0,274
f4.2	Измерение давления	Датчик давления	0,3	0,03	0,03	3000	0,011
f4.3	Измерение веса	Датчик веса	0,4	0,04	0,04	12000	0,159
F1	Устройства сигнализации и визуализации	f1.1+f1.2	0,15	0,015	0,015	700	0,08
F2	Исполнительные устройства	f2.1+f2.2+f2.3	0,3	0,03	0,03	150000	0,23
F3	Релейно-контактная автоматика	f3.1+f3.2+f3.3+f3.4	0,4	0,04	0,04	49600	0,15
F4	Датчики	f4.1+f4.2+f4.3	0,15	0,015	0,015	15200	0,27
Итого	215500

Оценка значимости функции ведется последовательно по уровням ФМ (сверху вниз), начиная с первого. Для главной и второстепенной, т.е. для внешних функций объекта, при оценке их значимости исходным является распределение требований потребителей (показателей качества, параметров, свойств) по значимости (важности).

Нормирующим условием для функции является следующее:

где rij - значимость j-ой функции, принадлежащей данному i-ому уровню ФМ;

j=1,2,…,n;

n - количество функций, расположенных на одном уровне ФМ и относящихся к общему узлу вышестоящего уровня.

Для внутренних функций определение значимости ведется, исходя из их роли в обеспечении функций вышестоящего уровня.

Определение относительной важности функции R

Учитывая многоступенчатую структуру ФМ, наряду с оценкой значимости функций по отношению к ближайшей вышестоящей, определяется показатель относительной важности функции любого i-го уровня Rij по отношению к изделию в целом:

где G - количество уровней ФМ.

В случае, если одна функция участвует одновременно в обеспечении нескольких функций верхнего уровня ФМ, ее значимость определяется для каждой из них отдельно, а относительная важность функции для объекта в целом рассчитывается как сумма значений Rij по каждой ветви ФМ (от iго уровня до первого), проходящей через эту функцию.

Оценка качества исполнения функций Q

Обобщенный (комплексный) показатель качества варианта исполнения функций оценивается по формуле

где n - значимость nго потребительского свойства;

Pnv - степень удовлетворения nго свойства в vом варианте;

m - количество свойств.

Важным элементом качества исполнения функций является функциональная организованность изделий, которая определяется следующими показателями:

где FП - необходимые функции;

Fоб - общее количество действительных функций;

показатель сосредоточения функций, определяется коэффициентом сосредоточения

где Fосн - количество основных функций;

Fоб - общее количество функций;

показатель совместимости функций, определяется коэффициентом совместимости:

где Fс - функции согласования;

Fоб - общее количество функций.

Показатель гибкости функций, определяется коэффициентом гибкости:



где Fр - количество потенциальных функций;

FП - количество необходимых функций.

Учитывая формулы, выражение качества выполнения функций будет иметь вид

Определение абсолютной стоимости функций

Функционально необходимые затраты - минимально возможные затраты на реализацию комплекса функций объекта при соблюдении заданных требований потребителей (параметров качества) в условиях производства и применения (эксплуатации), организационно-технический уровень которых соответствует уровню сложности спроектированного объекта.

Абсолютная стоимость реализации функций Sабс определяется по формуле

где Sизг - затраты, связанные с изготовлением (приобретением) материального носителя (-ей) функции. В состав этих затрат входят: затраты на проектирование, изготовление (модернизацию), пуско-наладочные работы, обучение персонала.

Sэкспл - эксплуатационные затраты;

Sтр - затраты, связанные с трудоемкостью реализации функции;

Sэн - энергозатраты на реализацию функции;

Sпроч - прочие затраты на реализацию функции (отвод земли, изыскания, плата за загрязнение и пр.).

Определение относительной стоимости реализации функций

Относительная стоимость реализации функций SотнF определяется по формуле:

где Sабс - суммарная абсолютная стоимость функционирования объекта, определяется путем суммирования значений абсолютных стоимостей реализации функций;

SабсFij - абсолютная стоимость реализации j-ой функции i-го уровня ФМ.

2. Анализ объекта проектирования

Решение сложных творческих задач при создании новых объектов, технологий, а также проектов, реализуемых в нетехнической сфере, базируется на итеративных последовательностях процедур анализа и синтеза.

Итеративный процесс “анализ - синтез” формирует создаваемый объект, базируясь на философских диалектических категориях “часть и целое”, характеризующих общее движение познания, которое начинается с нерасчлененного представления о целом, затем переходит к анализу - расчленению целого на части и завершается воспроизведением (синтезом) объекта в форме конкретного целого.

При такой постановке решение проблемы создания нового объекта целесообразно представить в виде трёх взаимосвязанных этапов.

Этап 1. Формирование общего желаемого (видимого) представления о создаваемом объекте, о его потребности (функции); структуризация проблемы создания объекта.

Этап 2. Декомпозиция (анализ) задачи создания объекта - разделение её на части, образуемые относительно независимыми признаками (свойствами) объекта, с указанием множеств альтернатив реализации этих признаков.

Этап 3. Синтез решений как “свёртка” поискового пространства, образованного декомпозиционной схемой задачи создания объекта, полученной на этапе 2.

2.1 Системный анализ проектируемой СУ на основе методов декомпозиции

Потребности и цели создания объекта, структуризация целей и предполагаемых задач, решение которых ведет к достижению этих целей, формирует общее представление об объекте. Анализ объекта на втором этапе осуществляется путем декомпозиции поставленных задач в пространстве, в основном, неметрических структурных характеристик, обусловленных требованиями к объекту. Результатом такого анализа является декомпозиционная схема, при построении которой исходят из следующих двух положений:

- во-первых, декомпозиция осуществляется неформально и на первом уровне разбиения задачи, исходя из назначения и потребности объекта, определяются основные направления, формирующих концепцию его строения в виде множества структурных характеристик Х, образующих n блоков 1-го уровня декомпозиции.

- во-вторых, для каждой области (свойства) Х первого уровня на втором уровне декомпозиции формируются множества альтернатив Х Х, выбираемым на основе анализа известных решений.

Построенная на основе принципов и правил декомпозиции, любая декомпозиционная схема является n - мерным поисковым пространством Rn={ Х }, в котором каждое решение представлено вектором xRn, являющимся множеством из набора альтернатив Х вида:

X = { Х1, … , Хi , … , Хn }.

Геометрической интерпретацией Rn является его развёртка на плоскость, состоящая из матричных блоков, образованных пересечением всех блоков 1-го уровня декомпозиции и альтернатив, образующих клетки матриц

RB = n ( n-1 ) /2.

Развертка n - мерного поискового пространства для задачи модернизации заводской котельной представлена на листе 1 графической части.

Общее количество вариантов структуры N определяется:

N = m1 m 2 … m n,

где m1 - количество альтернатив реализации первого признака.

Таблица 1. Декомпозиционная схема анализа задачи формирования структуры участка дробления бокситов

Х	1-й уровень декомпозиции	Х	2-й уровень декомпозиции
Х1	Тип дробилки	Х11 Х12 Х13	Щёковая Молотковая Конусная
Х2	Загрузка породы в дробилку	Х21 Х22 Х23	Ручная Полуавтоматическая Автоматическая
Х3	Управление линией	Х31 Х32 Х33	Ручное Полуавтоматическое Автоматическое
Х4	Система управления	Х41 Х42 Х43 Х44	Релейно-контактная автоматика Программируемый контроллер ЭВМ Контроллер и ЭВМ
Х5	Контроль над процессом	Х51 Х52 Х53 Х54	Светозвуковая сигнализация Программа визуализации Программа визуализации и сигнализация Без контроля
Х6	Рабочие приводы	Х61 Х62 Х63	Электродвигатель ПТ Электродвигатель асинхронный Электродвигатель асинхронный с ПЧ
Х7	Схема контроля перегрузки	Х71 Х72 Х73	По уровню заполнения камеры дробилки По току двигателя дробилки По значению производительности дробилки
Х8	Безопасность работы	Х81 Х82	С контролем опасных параметров Без контроля опасных параметров
Х9	Охранные мероприятия	Х91 Х92	Не предусматриваются Исключение несанкционированного доступа

2.2 Декомпозиционная схема формирования структуры СУ

Заключительный третий этап выбора и принятия решения после проведения системного анализа создания нового объекта путем её декомпозиции существенно облегчается, но остается ещё непростым из-за большого числа комбинаций N, являющихся вариантами искомого решения. Задача синтеза состоит в том, чтобы в каждом из n - блоков первого уровня Х декомпозиционной схемы выбрать по одной альтернативе Х , подбор которых должен „наилучший” вариант.

Простейшим при выборе наиболее эффективного решения является традиционный способ, используемый при обработке морфологических таблиц и предусматривающий последовательное сокращение (свёртку) множества вариантов путем отбрасывания наименее перспективных, нереализуемых, наиболее дорогих и других, кажущихся неэффективными, альтернатив. Однако этот способ при увеличении количества признаков и реализующих их альтернатив соответственно до n > 5 m > 2 становиться весьма трудоёмким, а выбранное решение, в значительной мере, - субъективным. Проблема состоит не только в выборе лучших альтернатив в отдельных блоках, но и в наилучшей их совместимости друг с другом.

Выбор целевых условий.

Далее будет использован метод двухступенчатого ранжирования с присвоением оценок и при необходимости „весов” для выбираемых элементов, многократно апробированный при создании новых сложных объектов на уровне изобретений.

Предложенный метод предусматривает на первой ступени упорядочения выделение из n - блоков Х декомпозиционной схемы S - блоков, содержащих на уровне альтернатив Х наиболее важные характеристики, которые могут быть отражены в задании на создание объекта. Такие блоки Х обычно в количестве S = 2…4 несут S - целевых условий ( по одному условию для каждого блока), представленных альтернативами, реализующими эти блоки.

Тогда остальные g - блоков (g = n -s ) будут содержать на уровне альтернатив локальные решения типа условий ограничения, а множество формирующее вариант синтезируемого решения X, составят два подмножества ХS и ХG

X = { XS, XG }, x Rn

Набор условий XS, выбираемых на второй ступени упорядочения, определяет некоторую S - мерную цель синтеза:

XS = { XSi }, i = 1…S; = 1… m

Выбранные локальные целевые условия XSi, как правило, неодинаково влияют на эффективность синтезируемого решения и поэтому должны быть ранжированы по их значимости и оценены с помощью некоторого параметра i, т.е.:

1 2 … S

Значение оценочных параметров i устанавливается с соблюдением дополнительного условия, в качестве которого удобно использовать соотношение

1 + 2 + …+ S = 1

Для нашего проекта набор целевых условий это:

- Рабочий привод:

электродвигатель асинхронный XS1 = X12: 1 = 0,4

- Загрузка:

автоматическая XS2 = X23: 2 = 0,4

- Управление процессом:

автоматическое управление XS3 = X42: 3 = 0,2

Далее в соответствии с выражением (4) проверяем:

0,4 + 0,4 +0,2 = 1

В итоге трёхмерная цель синтеза:

XS = { X12, X23 , X42 }

Выбор условий ограничения

Любой объект, процесс или проект нетехнической сферы деятельности человека характеризуется структурой и параметрами. Начальное представление о строении объекта несет его структура. С её формирования как облика проекта и начинается синтез. Проведя декомпозицию и выбрав в полученном поисковом пространстве Rn некоторую S - мерную цель, необходимо решить вторую часть задачи синтеза - сформировать g - мерное “решение - ограничение”.

На основе метода ранжирования определяем условия ограничения:

XG* = { XGj}, j = 1,…, g = n - s

где XGj альтернатива, реализующая j-й блок декомпозиционной схемы и удовлетворяющая всем S целевым условиям множества XS = {XSi}.

Если при выборе целевых условий XSi можно было использовать исходные данные, то при выборе условий ограничения XGj такие возможности уменьшились.

Оптимизация неформальных решений при нескольких целях традиционными методами неосуществима. В этом случае в качестве оптимизационного подхода целесообразно формировать паретовское множество альтернатив.

Итак, эффективное решение - ограничение XG*, в отличие от XG (6) определяется паретовским множеством наиболее предпочтительных альтернатив при “мягкой” конкуренции всех ранее выбранных целевых условий XGj. Для решения этой задачи предлагаются следующие шаги:

Каждой альтернативе XGj в блоках XGj по каждому условию XSi присваивается оценка iGj , например, по трехступенчатой шкале в виде кодов (оценок): “ лучшая альтернатива ( решение )” - код 1, “ альтернативы в блоке по отношению к данной локальной цели равнозначные” - код 2, “ в блоке есть лучшая альтернатива ” - код 3.

Каждой оценке в соответствие с её кодом присваивается численное значение по правилу:

Код Значение iGj

iGj = i,

iGj = i / m,

iGj = 0,

где mi - количество альтернатив Gj в блоке iGj.

В каждом блоке XGj выбираются оценки iGj с наилучшими численными значениями и соответствующие им альтернативы XGj по принципу:

max iGj XG1, …, max iGj XGg

1,…,S 1,…,S

Формируется в виде множества X* эффективное решение - наилучший вариант.

Таблица 2. Результаты выбора решений-ограничений XGj целевыми условиями XSi

XSi	XGj
X12	X31, X52, X62, X72, X81, X92
X23	X31, X52, X62, X72, X81, X92
X42	X31, X72, X81, X92

Для нашего варианта условия ограничения:

XG* = { X31, X52, X62, X72, X81, X92 }.

Таблица 3. Результаты определения значений оценок iGg при выборе условий - ограничений XGj

ХGj	XGj	XS1 = X12; 1 = 0,4	XS2 = X22; 2 = 0,4	XS3 = X42; 3 = 0,2
		1Gg	2Gg	3Gg
		Код	Значение	Код	Значение	Код	Значение
ХG1 = Х3	[Х31]	3	0,4	1	0,4	1	0,4
	Х32	3	0	3	0	3	0
	Х33	1	0	3	0	3	0
ХG2 = Х5	Х51	3	0	3	0	2	0,05
	[Х52]	3	0,4	1	0,4	2	0,05
	Х53	3	0	3	0	2	0,05
	Х54	1	0	3	0	2	0,05
ХG3 = Х6	Х61	3	0	3	0	2	0,05
	[Х62]	1	0,4	1	0,4	2	0,05
	Х63]	3	0	3	0	2	0,05
	Х64	3	0	3	0	2	0,05
ХG4 = Х7	Х71	3	0	3	0	3	0
	[Х72]	1	0,4	1	0,4	1	0,2
	Х73	3	0	3	0	3	0
ХG5 = Х8	[Х81]	1	0,4	1	0,4	1	0,2
	Х82	3	0	3	0	3	0
ХG6 = Х9	Х91	3	0	3	0	3	0
	[Х92]	1	0,4	1	0,4	1	0,2

2.3 Разработка структурной схемы СУ

Согласно этому подходу альтернатива считается оптимальной по Парето, если всякая другая альтернатива, являющаяся более предпочтительной для одних целей, в то же время будет менее предпочтительна для остальных целей. Принцип оптимальности по Парето далее утверждает, что никогда не следует выбирать альтернативу, которая не является Парето - оптимальной. Лишь при таком (паретовском) выборе можно увеличить степень удовлетворения некоторых целей, не ущемляя при этом других целей. Таким образом, альтернатива паретовского множества обладает тем свойством, что дальнейшее увеличение степени предпочтения для достижения одних целевых условий возможно только за счет других. Проблема состоит в том, чтобы выбрать наилучшие паретовские альтернативы во всех блоках g = n - S. И эта проблема всегда достаточна серьезна, однако сам подход, ведущий к общему выигрышу, уже является практически важным достижением в решении противоречивых интересов в любой сложной ситуации. К тому же можно утверждать, что оптимальность по Парето является категорией нравственной.

Оптимальный по Парето вариант формируется в виде множества:

X* = { XSi ,XGj*}

В развернутом виде с указанием всех целевых условий XSi и условий ограничений ХGj множество (9) запишется так:

X* = { XSi ,…, XSs , ХG1,…, ХGg

Для нашего случая эффективное решение будет иметь вид:

X* = { X12, X23, X42; X31, X52, X62, X72, X81, X92 }.

В итоге проектируемый узел будет иметь следующую компоновку:

Х	1-й уровень декомпозиции	Х	2-й уровень декомпозиции
Х1	Тип дробилки	Х12	Молотковая
Х2	Загрузка породы в дробилку	Х22	Автоматическая
Х3	Управление линией	Х32	Автоматическое
Х4	Система управления	Х41	Контроллер
Х5	Контроль над процессом	Х53	Программа визуализации и сигнализация
Х6	Рабочие приводы	Х62	Электродвигатель асинхронный с ПЧ
Х7	Схема контроля перегрузки	Х73	По значению производительности дробилки
Х8	Безопасность работы	Х82	С контролем опасных параметров
Х9	Охранные мероприятия	Х92	Исключение несанкционированного доступа

2.4 Разработка функциональной схемы автоматизации

Система управления технологическим комплексом дробления должна обеспечить непрерывность потока руды в комплексе и поддержание оптимальных условий работы механического оборудования.

При этом система управления комплексом может быть реализована на двух уровнях сложности:

1. Местное управление и блокировка оборудования для предотвращения перегрузок оборудования (по мощности, уровню, производительности). Электрическая блокировка обеспечивает правильную последовательность пуска и остановки оборудования. Положения регулирующих органов оборудования в этом случае должны обеспечивать работу его в номинальном режиме.

2. Управление технологическим комплексом с использованием аналоговых регуляторов, промышленных контроллеров и ЭВМ для регистрации данных, управления, расчета в реальном времени заданных значений параметров и изменения в реальном времени предельных значений параметров комплекса.

Для реализации системы управления технологическим комплексом необходимо определить:

1) технологические параметры, которые можно использовать в качестве регулирующих воздействий в данном реальном комплексе;

2) оптимальные значения параметров, которые не подлежат изменению в процессе функционирования комплекса;

3) ограничение комплекса при различных условиях работы;

4) количество механического оборудования комплекса при различных условиях работы, так как может возникнуть необходимость работать с меньшим количеством оборудования, чем максимально возможное.

Управление технологическим комплексом должно компенсировать влияние возмущений на производительность комплекса и гранулометрический состав дробленого продукта. Наиболее значимыми возмущающими воздействиями являются:

1. Изменение физико-механических свойств (крупности, твердости) исходной руды, которое влияет на гранулометрический состав питания различных стадий дробления и соотношения производительности различных стадий, особенно во второй и последующих стадиях.

Эти изменения возникают из-за того, что на крупных горно-обогатительных комбинатах руда на фабрику поступает из карьера и шахты, где физико-механические свойства руды могут значительно отличаться.

2. Изменение истечения руды из бункеров на вибрационные и ленточные питатели, в результате чего изменяется расход питания комплекса при постоянной частоте вращения привода питателя.

Эти изменения вызывают быстрые отклонения нагрузки грохотов и потребляемой дробилками мощности. Изменения нагрузки грохотов оказывают влияние на технологические показатели комплекса в целом, а изменения потребляемой дробилками мощности могут привести к перегрузкам по мощности, требующим быстрого оперативного вмешательства со стороны технологического персонала или системы регулирования, поэтому установка локальной системы стабилизации мощности имеет наибольшее значение.

3. Изменение количества агрегатов, работающих параллельно в какой-либо стадии дробления или грохочения, возникающее при ремонтах.

4. Изменения эксплуатационных характеристик механического оборудования комплекса вследствие износа футеровки или сит.

Изменение количества аппаратов, работающих в какой-либо стадии, или эффективности функционирования этих аппаратов может вызвать изменение требований к текущей нагрузке отдельных аппаратов и стадий дробления или грохочения. Например, если из работы выводится одна дробилка третьей стадии дробления, то каждая оставшаяся дробилка третьей стадии должна перерабатывать повышенное количество материала, если требуется поддерживать заданную производительность. Если это не может быть сделано, дополнительная нагрузка по дроблению должна быть передана дробилкам второй стадии дробления.

Система автоматического управления технологическим комплексом должна гарантировать, что не будут нарушены границы физических ограничений цикла. Эти ограничения могут относиться либо к устройствам транспортирования руды (например, к ленте конвейера), либо к местным ограничениям аппаратов (например, реализуемая потребляемая мощность).

На многих современных больших дробильных установках несколько дробилок одной стадии могут разгружаться на один и тот же ленточный конвейер. На некоторых установках продукты двух стадий дробления разгружаются на один конвейер; количество аппаратов, разгружающихся на один конвейер, можно значительно изменить во время ремонта. К тому же может измениться количество руды, подаваемой на конвейер отдельными аппаратами. Проблему избежания перегрузки конвейера при этих условиях нельзя эффективно решить, ограничив скорость питателя так, чтобы при работе всех аппаратов конвейеры не перегружались. Эта система будет ограничивать производительность прямо пропорционально количеству отключенных аппаратов, даже если возникнет необходимость поддерживать заданную производительность, увеличивая расход питания в оставшихся аппаратах. Это особенно важно по отношению к конвейерам, транспортирующим циркулирующие продукты, так как, если не поддерживать циркулирующую нагрузку на соответствующем уровне, потребляемая мощность дробилок, работающих в замкнутом цикле, обычно снижается с соответствующим получением более крупного продукта. Этого падения потребляемой мощности можно избежать на дробилках, у которых ширину разгрузочной щели можно регулировать под нагрузкой. Однако такой контур регулирования не всегда целесообразен.

Следует также рассмотреть переполнение промежуточных бункеров. Оно не представляет серьезной проблемы для небольших дробильных установок только с одним промежуточным бункером перед стадией дробления, так как повышение уровня может быть скорректировано понижением расхода питания. Для больших установок, где несколько взаимосвязанных промежуточных бункеров загружаются одним конвейером с разгрузочной тележкой, проблема усложняется. В этом случае обычно нежелательно понижать расход питания в промежуточных бункерах, если верхний уровень достигнут только в небольшой части этих бункеров. Обычно перепускные шиберы устанавливают таким образом, что материал отводится от бункера к промежуточной емкости предыдущей стадии, когда в бункере достигается верхний уровень. Может быть также использовано управление положением разгрузочной тележки при помощи ЭВМ, чтобы поддерживать расход питания в промежуточные бункера, когда в некоторых из них достигается верхний уровень. При выявлении таких условий, в которых среднее значение уровня в бункерах достигает установленной верхней или нижней границы, должно быть осуществлено соответствующее управляющее воздействие, чтобы увеличить или уменьшить расход питания.

Принципы управления дробильными установками

Автоматическая система управления дробильным агрегатом должна не допускать перегрузки дробилки по мощности и уровню материала в пасти, но при этом должно обеспечиваться полное использование возможностей агрегата.

Перегрузка дробилки по потребляемой мощности может возникнуть, когда производительность по исходной руде превышает допустимое значение, определяемое гранулометрическим составом, и физико-механическими свойствами руды, и шириной разгрузочной щели,

Перегрузка дробилки по количеству материала в пасти дробилки возникает, если производительность по исходной руде превышает максимально возможный расход через дробилку при данной ширине разгрузочной щели.

Из возможных регулирующих воздействий (производительность по исходной руде, частота качаний подвижного дробящего элемента и ширина разгрузочной щели) в настоящее время используется только одно - изменение производительности дробилки по исходной руде с воздействием на частоту вращения привода питателя, как наиболее просто технически реализуемое. Все применяемые схемы управления дробилками основаны на использовании этого управляющего воздействия.

При автоматическом управлении процессом дробления используют следующие принципы:

а) стабилизация производительности дробилки по исходной руде изменением частоты вращения привода питателя (Q=сопst, n=vаг);

б) стабилизация мощности, потребляемой электроприводом дробилки, изменением частоты вращения привода питателя (Р=соnst; n=vаг);

в) стабилизация суммарного сигнала производительности и мощности с воздействием на частоту вращения привода питателя (UQ+Uр= соnst; n=vаг);

г) стабилизация уровня руды в пасти дробилки с воздействием на частоту вращения привода питателя (H=соnst:; n=vаг).

Рассмотрим особенности применения этих принципов, используя статические характеристики дробилки по каналам «производительность - мощность» и «производительность - уровень загрузки» (рис. 14).

Стабилизация производительности дробилки по исходной руде. Пусть ориентируясь на самые благоприятные условия дробления (руда мелкая, крупностью d1' и легкодробимая), задание автоматической системе регулирования определим так, чтобы для этих условий дробилка была заполнена полностью (Qзад = qm ; Н = Hм). При этом мощность дробилки не превышает максимально допустимую (Р1<РМ).

При изменении типа руды (более твердой и крупной - d1'') и стабилизации заданной производительности начинается переполнение дробилки рудой (точка D2, H>HМ) и перегрузка ее по мощности (Р=Рm). Во избежание этого, задание производительности необходимо выбирать, ориентируясь на самые неблагоприятные условия дробления (крупную - d1'''и труднодробимую руду), например Qзад = q1. При этом Р=РМ (точка B1) и H=Hm (точка В2). При таком задании дробилка не перегрузится, но при мелких (d1') и легкодробимых рудах технические возможности ее будут недоиспользованы (точка С1, Р2<Рм и точка С2, H1<Hm).



Рис. 14. Графики зависимости Р=f(q) и Н=f(q) для пояснения принципов управления процессом дробления процессом дробления: 1а - датчик веса; 1б, - датчик скорости ленты; 1в - блок управления и регистрации (весы АКВС -1); 4а, 2а, 4б - датчик мощности (ваттметровый преобразователь Е-859); За - акустический датчик уровня (ДТА-1); 3б - фильтр ФП-3 (датчик уровня УКЗ-1); 1з, Зе, 4б - преобразователь частоты (МICROMASTER 440); 1г, 1е, 1б, 2б, 2в, 2г, Зв, Зг, Зб, 4в, 4г, 4б - электронный регулятор с непрерывным выходным сигналом 0-5, 4-20 мА (Р17 «Контур»)

Этот принцип управления применим при переработке сортированной руды с малыми колебаниями физико-механических свойств. Реализация его предусматривает установку автоматических весов на тракте питания дробилки и питателя с регулируемым приводом (САР 1, рис. 15).

Стабилизация мощности, потребляемой электроприводом. Если, ориентируясь на самые тяжелые условия дробления, определим задание автоматической системе Рзад=Рм, то для данных условий будет обеспечена максимальная загрузка дробилки (точка В2, Н=НМ). При изменении условий дробления, например при уменьшении крупности исходной руды (d1'), система регулирования будет увеличивать производительность питания для стабилизации мощности. Это может привести к переполнению дробилки рудой (точка D2, H2>Hм). Поэтому при использовании этого принципа управления задание автоматической системе регулирования должно определяться исходя из наиболее благоприятных условий дробления, чтобы избежать перегрузки дробилки по уровню.

Так, при q=qm и H=Нм (точка А2) необходимо принять Рзад=P1 (точка А1). Однако при поступлении в дробилку более крупной руды будут недоиспользоваться технические возможности ее по мощности и производительности (например, точки Е1 Е2, где Рзад=Р1 но q2<qm и H3<Hm). Несмотря на указанные недостатки, этот принцип управления широко используется на отечественных и зарубежных фабриках как самостоятельный или как корректирующий в системе стабилизации производительности.

Техническая реализация такой системы несложна. Мощность измеряется ваттметровыми преобразователями. Регулирующим воздействием служит изменение частоты вращения привода питателя (САР 4, рис. 15).

Применим также принцип стабилизации удельной мощности электропривода дробилки (Руд=Р/Q.-

Стабилизация уровня руды в пасти дробилки. Стабилизация уровня руды обеспечивает максимальную загрузку дробилки независимо от крупности и физико-механических свойств руды. Если спроектировать точки А2, Р2, В2, соответствующие максимальному уровню руды для различной ее крупности, на статические характеристики мощности (точки А1, Р1, В1), можно что при стабилизации уровня (H3=Hм=соnst) мощность, потребляемая приводом дробилки, будет изменяться по кривой А1F1В1. К тому же при дроблении производительность дробилки равна производительности, достигаемой при стабилизации производительности, и больше производительности достигаемой при стабилилизации мощности. При дроблении мелкой и мягкой руды производительность дробилки равна производительности при стабилизации мощности и больше производительности при стабилизации питания. Однако преимущества этого принципа управления не реа...