Методы, модели и алгоритмы управления технологическим процессом производства агломерата на основе оптико-электронного контроля его качества

Публикации. По теме диссертации опубликованы 104 печатные работы, включая 2 монографии, 26 статей, 3 патента на изобретения, 73 публикации материалов и тезисов докладов. Основные научные результаты диссертации отражены в 11 статьях в рецензируемых журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России. Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту научные положения разработаны соискателем лично. В основных научных работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве, лично соискателем разработаны: в [3,9,12,17,20,24,25,28,29,32,37,38,40,41,43-53] – подходы к построению структурно-функциональной организации оптико-электронных систем управления спеканием агломерационной шихты, метод управления спеканием агломерационной шихты и принцип формирования управляющего воздействия, использующие способы распознавания высокотемпературной зоны излома и температурного поля поверхности спекаемого слоя за зажигательным горном; в [1,4,6,12,18,19,21,27,30,31,35,36,39,42] – методы и алгоритмы контроля качества агломерата, основанные на автоматическом распознавании макроструктуры излома спекаемого слоя и гранулометрического состава агломерата; в [10,11,26,33] – методика проектирования оптико-электронных систем управления и контроля непрерывными технологическими процессами; в [8,22,23,34] - алгоритм аппроксимации экспериментальных данных фрактальными распределениями, позволяющий значительно сжимать информацию натурных рядов данных без существенных потерь в точности; в [14-16] – способы обработки информационного сигнала. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка литературы, включающего 303 наименования, и 3 приложений. Общий объем работы (без приложений) составляет 398 страниц машинописного текста, в том числе 183 рисунка и 34 таблицы на 108 страницах. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы проблема, цель, задачи исследований и основные положения, выносимые на защиту, показаны их научная новизна и практическая ценность, приведены результаты реализации работы. В первом разделе по данным отечественной и зарубежной литературы проведен анализ существующих методов и средств управления спеканием шихты и контроля качества агломерата, на основании которого были определены основные достоинства и недостатки существующих подходов. Определены наиболее перспективные методы и средства управлением спеканием шихты, контроля макроструктуры и гранулометрического состава агломерата – оптико-электронные методы с применением ЭВМ для обработки изображений и выдачи рекомендаций по ведению технологического процесса и его автоматической корректировки. Определен класс оптико-электронных систем, пригодных для выявления нарушений и управления технологическим процессом. Рассмотрены основные факторы, приводящие к нарушениям технологического процесса, их влияние на внешний вид спекаемой поверхности шихты за зажигательным горном и излома аглоспека в разгрузочной части агломашины, а также основные типы формируемой в процессе спекания макроструктуры и классы крупности агломерата, их влияние на прочностные свойства готовой продукции. Выполнен анализ факторов с точки зрения управления процессом спекания шихты, проведено исследование изображений спекаемой поверхности и излома аглоспека с целью оценки качества рассматриваемого процесса. Установлена зависимость гранулометрического состава агломерата и его прочности от характеристик технологического процесса - максимальный выход годного агломерата (δ, ед.), минимальный выход мелочи (g-5, %) и прочность (L+10, %) определяются параметрами макроструктуры агломерата: δ = 37,8 – 854/Vп – 0,07F2уд.п. – 11,4dп.ср., g-5 = 56,7 - 1426/Vп – 285Fуд.п. – 50,4dп.ср., (1) L+10 = 13,5 – 625,6/Vп – 316,2Fуд.п. – 47,7dп.ср., где Vп – объем пор в кусках агломерата, %; Fуд.п. – удельная поверхность, мм2/г; dп.ср. – средний диаметр пор, мм. От количества годного агломерата зависит производительность агломерационной машины P = 14,4Fρυδ, (2) где Р – производительность, %; F – площадь спекания ленты, м2; ρ – насыпная масса шихты, т/м3; υ – вертикальная скорость спекания, м/мин; δ – выход годного агломерата из шихты, %. Количество годного в свою очередь определяется по гранулометрическому составу как δ = -ln(g+40 / g-5), где g+40 – доля крупных гранул, %; g-5 – доля мелких гранул, %. Таким образом, при обнаружении отклонений показателей качества агломерата от нормы можно своевременно реагировать на нарушения в технологическом процессе и корректировать его ход. На основе анализа существующей технологии агломерационного производства сформулированы требования к эффективности управления спеканием шихты и контроля качества агломерата: оценку нарушений процесса спекания шихты предлагается осуществлять по анализу изображений изломов аглоспека, образующихся при сходе готового агломерата с очередной паллеты на основе вероятностного критерия , здесь , где Рпи – показатель правильно идентифицированных нарушений технологического процесса; Рли – показатель ложно идентифицированных нарушений технологического процесса; Рли доп – предельно допустимое значение показателя ложно идентифицированных нарушений технологического процесса; Nпи, Nли – число паллет с правильно и ложно идентифицированными нарушениями технологического процесса; N – общее количество паллет. Для конечной оценки качества агломерата целесообразно использовать следующий критерий эффективности: где Pпр , Pло – показатели правильного и ложного распределения гранул по классам крупности; Pло доп – предельно допустимое значение показателя ложного распределения гранул по классам крупности; Pпкi – вероятность правильной классификации гранул i -го класса крупности; Pi – вероятность появления гранул i-го класса; N – количество классов крупности. Процедура применения данных критериев в производственных условиях достаточно проста и может использоваться в автоматизированной системе управления процессом спекания шихты и контроля качества агломерата. Во втором разделе разработана математическая модель формирования изображений поверхности спекаемого слоя за зажигательным горном и излома в разгрузочной части агломерационной машины, на основе которой предложен метод управления спеканием агломерационной шихты и определен принцип формирования управляющего воздействия с использованием способов распознавания высокотемпературной зоны излома и температурного поля поверхности спекаемого слоя за зажигательным горном. Для описания теплообмена в слое агломерируемой шихты в работе предложена подвижная система координат (рис.1). Спекаемый слой, лежащий на паллетах, перемещается в направлении оси L, а процесс горения развивается в направлении оси Y. Начало системы координат движется вдоль оси L со скоростью движения паллет Vп. За время Δτ перемещение по L составит Δl = VпΔτ, а перемещение по Y составит Δy = ωгΔτ , где ωг – средняя скорость газа в спекаемом слое. В поперечном направлении, по оси S, расчет температуры в каждом элементарном сечении (по длине) осуществляется в соответствии со схемой теплообмена, соответствующей уравнениям (4). Поскольку спекаемый слой имеет пористую структуру, передачей тепла в этом направлении можно пренебречь. Рис. 1. Подвижная система координат для уравнений теплообмена в слое агломерируемой шихты Задача теплообмена в спекаемом слое решена на основе системы дифференциальных уравнений в частных производных: где qТ – мощность источника тепла в слое, кВт/м3; Г – средняя скорость газа, м/с; E – порозность слоя, м3/м3; сГ – теплоемкость газа, кДж/(кг.оС); сМ – теплоемкость материала, кДж/(кг.оС); V – суммарный объемный коэффициент теплообмена, кВт/(м3.оС); a – коэффициент горения твердого топлива в слое: a=1 в зоне горения, a=0 в зоне исходной шихты и агломерата; tМ – температура материала, 0С; tГ – температура газа, 0С; ρнас – насыпная плотность материала, кг/м3; ρГ – плотность газа, кг/м3; y – координата, отсчитываемая от верха слоя, м; τ – время, с. Решение системы дифференциальных уравнений с заданными граничными условиями выполнено с применением численных методов путем замены частных производных на приближенные выражения вида: a=1, если tМ >tвоспл и τ<τвоспл +τгор; а=0, если tМ <tвоспл или τ>τвоспл +τгор; для начальных и краевых условий: tГ (0,j)=tГ0 ; tГ (i,0)=tМ0 ; tМ (i,0)=tМ0 ; i=0,1,...,n+1; j=0,...,m. Разработанная модель теплообмена в слое агломерируемой шихты позволяет получить распределение температуры газа и материала по высоте спекаемого слоя последовательно от начала процесса в любой момент времени спекания. Данное математическое описание процесса спекания шихты использовано для моделирования тепловых процессов в поверхностном слое агломерата. При этом в модели целесообразно учесть распределение температуры по секциям зажигательного горна, так как для поверхностного слоя данный факт играет значительную роль: tГР=(k1tГ1+ k2tГ2+k3tГ3+k4tГ4)/4, (6) где k1, k2, k3, k4 – корректирующие коэффициенты температуры по секциям горна, значения которых устанавливаются следующим образом: 1,2 при tГi>1200 0С; 2,0 при tГi=1000÷1200 0С; 1,0 при tГi<1000 0С; где i=1÷4; tГ1, tГ2, tГ3, tГ4 – температура по секциям горна. Анализируя отклонения реальных кривых распределения температуры от расчетных, полученных по модели, можно судить о качестве спекания и имеющихся нарушениях технологического процесса (рис. 2). Результатом распределения температуры поверхности спекаемого слоя агломерата, является формирование изображения поверхности, которое характеризуется изменением интенсивности (яркости) излучения от температуры. Так, чем выше температура поверхности аглоспека, тем более светлые участки присутствуют на изображении (рис. 3), неравномерное распределение которых свидетельствует о неравномерности нагрева. В реальных условиях агломерационного производства имеют место бортовые прососы и неравномерность процесса спекания по ширине паллеты. Для более точного моделирования все сечение слоя разбивается на пять равных частей (рис. 3). При различных значениях температуры в горне (tГР) распределение температуры поверхности спекаемого слоя будет неравномерным (рис. 2). Для каждого варианта вычисляется коэффициент высокотемпературной зоны поверхности , зависящий от отношения площади высокотемпературной t, º C Рис. 2. Варианты распределения температуры поверхности спекаемого слоя на контролируемом участке поверхности от зажигательного горна (0 м) до закрытой кожухом зоны (7 м) (t > Tп , где Tп - пороговое значение температуры – медиана между максимальной и минимальной температурой поверхности спекаемого слоя на выходе из-под зажигательного горна, Tп = 170 0С) части изображения поверхности спекаемого слоя , к общей площади изображения поверхности : Рис. 3. Распределение температуры поверхности спекаемого слоя при нормальном ходе технологического процесса на контролируемом участке от выхода из-под зажигательного горна (0 м) до закрытой кожухом зоны (7 м) Найденное значение коэффициента высокотемпературной зоны поверхности может быть использовано для регулирования скорости движения паллет при управлении спеканием агломерационной шихты. Были определены коэффициенты высокотемпературной зоны поверхности: для варианта 1 - при температуре в горне 1200 0С =0,79; для варианта 2 - при температуре в горне 1300 0С = 0,73; для варианта 3 - при температуре в горне 1000 0С = 0,89. Получена зависимость скорости движения паллет от коэффициента высокотемпературной зоны поверхности в относительных единицах (рис. 4): где , , R1(.) – функция регулирования. С помощью разработанной модели теплообмена в слое агломерируемой шихты были просчитаны три возможных варианта завершения процесса спекания: первый - оптимальное при скорости воздуха в слое в=0,26 м/с; второй - раннее завершение при в=0,29 м/с; третий - позднее при в=0,24 м/с. Для каждого варианта получены распределения температуры в слое, соответствующие положению поперечного сечения над 12-й, 15-й и 17-й вакуум-камерами, а также изменение температуры элементарного слоя, прилегающего к постели, по ходу процесса спекания (рис.5), рассчитаны площадь высокотемпературной части излома и общая площадь , а также их отношение, определяемое как коэффициент высокотемпературной зоны излома, используемый для регулирования скорости движения паллет: где , , R2(.) – функция регулирования. Vпотн Рис. 4. Зависимость скорости движения паллет от коэффициента высокотемпературной зоны поверхности в относительных единицах На основании распределения температуры над 17-ой вакуум-камерой при скорости воздуха в=0,26 м/с и в=0,29 м/с определено температурное поле в слое агломерата для оптимального завершения процесса спекания над 15-ой вакуум-камерой (рис.6). Рис. 5. Изменение температуры элементарного слоя, прилегающего к постели (n=50), при различной скорости воздуха Рис. 6. Распределение температуры в слое по ширине паллеты над 17-й вакуум-камерой Коэффициент высокотемпературной зоны изломав разных зонах составляет для температуры выше 600 оС в 1 и 5 зоне - 0,241, в 24 зоне - 0,304, среднее - 0,279; выше 700 оС в 1 и 5 зоне - 0,196, в 24 зоне - 0,259, среднее - 0,234; выше 800 оС в 1 и 5 зоне - 0,140, в 24 зоне - 0,187, среднее - 0,168. Для варианта 1 (оптимальный режим) ,; для варианта 2 , ; для варианта 3 , . Д ля повышения надежности управления целесообразно совместное использование комбинации двух параметров: – коэффициента высокотемпературной зоны поверхности спекаемого слоя; – коэффициента высокотемпературной зоны излома аглоспека в разгрузочной части агломашины. Совместное использование функций регулирования R1() и R2() позволяет объединить значения функций в одну управляющую матрицу (рис. 7). Зная текущие значения и , по матрице определяется коэффициент, на который необходимо изменить скорость движения паллет для того, чтобы получить новую скорость, с какой должны двигаться паллеты для восстановления оптимального хода технологического процесса. Использование управляющей матрицы – способа управления, основанного на совместном анализе коэффициентов высокотемпературных зон излома спекаемого слоя и спекаемой поверхности за зажигательным горном, позволит повысить обоснованность принятия решения при управлении процессом спекания на агломерационной машине. Рис.7. Управляющая матрица

Похожие:

	Информатика, вычислительная техника и инженерное образование 2011,... Решение оптимизационной задачи компоновки зависит от выбираемой формальной математической модели коммутационной схемы. В работе рассматривается...		Место выполнения работ, оказания услуг Автоматизированная система управления технологическим процессом нпс "Клин-2". Куйбышевское ру. Техническое перевооружение
	Определить степень влияния управления на развитие учебно-воспитательного... Для осуществления управленческих действий, направленных на повышение качества образования, совершенствовались формы и методы внутришкольного...		Правила организации производства и контроля качества лекарственных средств Общие положения Правила организации производства и контроля качества лекарственных средств (далее – Правила) устанавливают требования к организации...
	Локальный акт №35 положение о порядке организации питания на льготной... Санкт Петербургское государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Оптико-механический лицей»		Ао «Транснефть ёc верхняя Волга» Место выполнения работ, оказания услугСроки выполнения работ, оказания услуг1«Автоматизированная система управления технологическим...
	V международная научно-практическая конференция «Статистика в современном... Приглашаем Вас принять участие в работе V международной научно-практической конференции «Статистика в современном мире: методы, модели,...		1. Отсутствие единых правил производства и контроля качества лекарственных средств Неконкурентоспособностью на мировом рынке отечественных производителей, не соблюдающих международные правила производства лекарственных...
	Отчет гпоу «сик» ...		Проведения внутреннего контроля качества и безопасности медицинской... Внутренний контроль качества осуществляется работниками, назначенными приказами главного врача ответственными за проведение Внутреннего...