Автоматизація агломераційного виробництва на базі застосування Neuro-Fuzzy систем регулювання нижнього рівня

25/12/2014 11:09am

Автор: Щекин В., Ткачук В.

Категории: автоматизация

Наведено результати розробки концепції автоматизації агломераційного виробництва на базі застосуванні адаптивних Neuro-Fuzzy систем на нижньому рівні САКТП з метою адаптації системи керування до параметричних та сигнальних невизначеностей. Доведено, що адаптація комплексної САКТП до функціональних невизначеностей може здійснюватись на базі розрахунку вектора генеральної стратегії керування верхнім ієрархічним рівнем САКТП. Наведені результати дозволяють реалізувати комплексну програму автоматизації агловиробництва яка пов’язана з вирішенням задач синтезу адаптивних систем багаторівневого керування, які дозволяють підвищити продуктивність виробництва при підтримці заданої якості готового продукту визначеної Технічною інструкцією ТИ 228-АП–56-2003 і зменшити його енергоспоживання. .

 

Ключові слова: агломерація, автоматизація, Neuro-Fuzzy системи

Автоматизація агломераційного виробництва на базі застосування Neuro-Fuzzy систем регулювання нижнього рівня

Щекин Вадим

 

 

 

 

Щекин Вадим - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Электроснабжения и энергетического менеджмента"
Криворожский национальный университет

 

 

 

 

 

Виктория Ткачук

 

 

 

 

Виктория Ткачук - аспирантка кафедры Инженерной педагогики и языковой подготовки, Криворожский национальный университет

 

 

 

 

 

 

 

 

Одними з основних факторів, що різко знижують конкурентоспроможність вітчизняної продукції гірничо-металургійного комплексу на внутрішньому і зовнішньому ринках, є її висока собівартість і знижена якість, яка є меншою в порівнянні з закордонними виробниками агломераційної сировини на 1-3%. В умовах, коли зношення основних засобів виробництва на багатьох гірничо-збагачувальних комбінатах складає 70-80%, фактори збільшення собівартості обумовлені значною питомою енергоємністю (в агломераційному комплексі ПАТ «ПівдГЗК» питома енергоємність складає 21% від загальної собівартості), порушеннями поточних режимів роботи обладнання й умов проведення технологічних процесів. Проблема загострюється, якщо режими роботи агломераційного обладнання близькі до технологічно визначених обмежень, а об'єкти керування є істотно нелінійними, нестаціонарними і характеризуються наявністю інтенсивних неконтрольованих збурень [6].
Дослідження провідних закордонних та вітчизняних вчених доводять, що одним із ефективних, у тому числі маловитратних, таких, що дають швидкий економічний ефект, шляхів розв’язання вищезазначеної задачі  підвищення продуктивності агломераційного виробництва та металургійної якості агломерату з одночасним зменшенням його собівартості є забезпечення надійного функціонування основного технологічного устаткування за рахунок розробки та впровадження комплексної автоматизації технологічних процесів виробництва агломерату.
Основним завданням функціонування комплексної адаптивної системи автоматичного керування технологічним процесом (САКТП) (з єдиним інформаційно-обчислювальним комплексом) є контроль основних показників технологічного процесу, їх математична обробка й оперативне керування технологічними підсистемами. Розробка та впровадження подібної адаптивної САКТП дозволять підвищити продуктивність, надійність, ритмічність та конкурентоспроможність виробництва вітчизняної продукції гірничо-металургійного комплексу.
Проведений аналіз агломераційної технології дозволив зробити висновок, що дане виробництво є типовим нелінійним багаторівневим процесом гірничо-металургійної галузі,  для якого реалізація комплексної програми автоматизації пов’язана з вирішенням задач синтезу адаптивних систем багаторівневого керування, які дозволять покращити ефективність виробництва і зменшити його енергоспоживання.
Оскільки динаміка аглопроцесу залежить від ряду неконтрольованих факторів  (i=1 – вектор невідомих квазістаціонарних коефіцієнтів рівнянь об’єкта; i=2 – функції часу, які не можуть бути виміряні; i=3 – невідомі функції змінних стану об’єктів або виміряних змінних вхід-вихід) адаптація системи керування до параметричних та сигнальних невизначеностей може бути реалізована при застосуванні нейромережевих технологій на нижньому рівні САКТП, а до функціональних невизначеностей - на базі розрахунку вектора генеральної стратегії керування верхнім ієрархічним рівнем САК ТП агловиробництва.
З метою реалізації комплексної програми автоматизації виробничих процесів, до функцій верхнього рівня адаптивної САКТП повинні бути включені підсистеми, які дозволяють визначати: технологічні і техніко-економічні показники виробництва; концепцію поточного керування локальними системами стабілізації з реалізацією принципу робастності до збурюючих впливів; основні режимні параметри технологічного обладнання; умови і принципи узгодження навантажень між паралельними стадіями багатостадійного виробничого комплексу; ефективні, з точки зору техніко-економічних показників, канали керування в системах підлеглого регулювання багатоповязаними динамічними об’єктами технологічних процесів з адаптацією локальних контурів на нижніх ієрархічних рівнях САКТП; графіки планово-попереджувальних ремонтів технологічного обладнання.
Як зазначено в роботах [1-3] у розробках і промисловій реалізації САКТП агломераційним комплексом в Україні і СНД досягнуті певні позитивні результати, проте такі завдання вирішувалися не комплексно, і, в основному, являють собою розрізнені системи. Проблеми оперативного керування взаємозв'язаними виробництвами, а також автоматизація взаємодії різних рівнів системи практично не досліджувались і не отримали відповідної промислової реалізації [3].
Аналітичний огляд робіт пов'язаних з проблемами автоматичного керування агломераційним процесом показав, що в умовах, коли характеристики агломераційної сировини і стан технологічного обладнання змінюються, кінцеві показники роботи аглоцехів  істотно залежать від ефективності автоматичного керування підсистемами нижнього рівня, що, в першу чергу, визначається адаптивними і робастними властивостями локальних САКТП.
Автоматизована система керування виробничим процесом агломерації повинна включати: систему хімічної ідентифікації сировини, що поступає в шихту; систему автоматичного керування режимом завантаження і вивантаження сировини з бункерів шихтового відділення; автоматичну систему шихтопідготовки; систему автоматичного керування процесом завантаження шихти на аглострічку; систему автоматичного керування процесом спікання шихти на аглострічці.
Система комплексної автоматизації технологічного процесу агломерації повинна вирішувати задачі дозування компонентів шихтових матеріалів, контроль і регулювання вологості, контроль ходу і закінчення технологічного процесу спікання агломерату. При цьому інформація про хід технологічного процесу повинна бути доступна всім локальним підсистемам, отже необхідним є створення єдиного інформаційного поля пов'язаного з інформаційно-вимірювальними комплексами окремих технологічних ліній.
Відповідно до розробленої функціональної схеми адаптивної САКТП агломераційним комплексом [4] задача підвищення продуктивності, надійності, ритмічності та конкурентоспроможності виробництва агломерату вирішується за рахунок оптимізації процесу спікання  агломерату, що потребує визначення основної моделі агловиробництва, яка відображає зв'язок основних параметрів агломераційного процесу.
Розроблена концепція автоматизації агловиробництва ґрунтується на використанні в якості показника процесу спікання комплексної оцінки непрямих показників вертикальної швидкості спікання агломерату [4]. Даний показник дозволяє забезпечити формування сигналів завдання для локальних систем автоматичного регулювання, які при виконанні накладених обмежень забезпечують динамічні характеристики об’єкта керування на базі застосування Neuro-Fuzzy систем. Технологічна варіація комплексного показника процесу спікання може бути наслідком змін як фізико-хімічних властивостей шихти, так і технологічних умов ведення процесу. З метою експертного визначення ефективного каналу регулювання процесу, до функціональної схеми адаптивної САКТП може бути введена нейронечітка підсистема визначення активної САР. Вона, на базі продукційних правил визначає коефіцієнт коректування уставки локальної або групи локальних САР, вихідний параметр яких є причиною зміни комплексного показника процесу.
З урахуванням проведених досліджень робочий варіант спрощеної функціональної схеми агломераційної машини для САР температури поверхні шихти під запалювальним горном має вид наведений на рис.1.


Робочий варіант спрощеної функціональної  схеми агломашини
Рис.1. Робочий варіант спрощеної функціональної схеми агломашини


До функціональних особливостей розробленої адаптивної САКТП агловиробництвом входить алгоритм автоматичної зміни керуючих показників локальних систем автоматичного регулювання (САР) в залежності від техніко-економічних умов виробництва. На рис.1. зазначено два можливих варіанта роботи САР температури поверхні шихти під запалювальним горном, яка має технологічні межі (400-1500 оС) і вимірюється приладами ТЭРА-50, ДИСК-250, гр.-РК15 з класом точності 0,5: при відсутності лімітів на витрату газу в якості керуючого параметру приймається подача суміші природнього та доменного газів з теплотворною властивістю Q = 2800…3000 Ккал/нм3 в горн, яка вимірюється апаратурою ДМ, БПЛ-1К БИК, ДИСК-250 (0-2000 нм3/час, клас точності – 2,0) і має наступні обмеження: коефіцієнт надлишку повітря 1,2 – 1,4; тиск суміші газів не нижче 1,0 кПа (100 кгс/см2), при зниженні тиску верхній рівень САКТП видає керуючий сигнал на гальмування агломашини; при умові досягнення верхнього ліміту газу керування передається на  САР спікання шихти на аглострічці, яка в якості керуючого параметру використовує швидкість руху палет (агломашини) з обмеженням <5,0 м/хв.
В САР співвідношення «газ–повітря» у барабані–огрудкувачі та горні в якості керуючого параметра пропонується використати витрату вентиляторного повітря з метою забезпечення повного згоряння газу. Оптимальна температура за довжиною горна складає 1150…13000С. Технологічно визначені межі тиску повітря на горілки запалювального горну: 0-630 кгс/м2 (засоби контролю та керування ДМ КСД-3, ТНМП-52 з класом точності 2,0-2,5) та витрата повітря: 0 – 8000 нм3/год (засоби контролю та керування ДМ 3583М,КСД3 клас точності 2,0).
САР співвідношення «шихта–вода» в барабані-огрудкувачі забезпечує оптимальну вологість шихти в межах 7-10%. В якості керуючої дії в системі пропонується використати кількість води, яка подається на форсунки, а в якості керованої – розрідження по вакуум-камерах, інтенсивність випромінювання зламу агломерату, витрата повітря у вакуум-камерах та комплексний показник вертикальної швидкості спікання агломерату
САР висоти шару шихти на аглострічці забезпечує задану висоту шару шихти на аглострічці і керування по каналу висота шару – кількість повернення та комплексний показник вертикальної швидкості спікання агломерату
Типова функціональна схема адаптивних Neuro-Fuzzy систем автоматичного регулювання.
Проведені статистичні дослідження об’єкту керування за каналом «температура запалювання шихти – температура у 24 вакуум-камері» дозволили розробити функціональну схему адаптивної Neuro-Fuzzy системи автоматичного регулювання температури поверхні шихти під запалювальним горном (рис.2).
Оскільки витрата суміші природнього та доменного газів з теплотворною власністю Q = 2800…3000 Ккал/нм3 при коефіцієнті надлишку повітря 1,2…1,4 Qг=700 м3/год забезпечує температуру запалювання шихти 1100оС, що при відповідності умов ведення виробничого процесу Технологічній інструкції ТИ 228-АП–56-2003 дозволяє завершити процес спікання над 24 вакуум-камерою (непрямим показником є максимальна температура 220оС у 24 вакуум-камері) в якості сигналу завдання використаємо значення 220 оС.

 Структурна схема адаптивної Neuro-Fuzzy



Рис.2. Структурна схема адаптивної Neuro-Fuzzy системи автоматичного регулювання   температури поверхні шихти під запалювальним горном

 

Виконавчим механізмом обрано двигун постійного струму (ДПС) з кінцевими вимикачами та редуктором, які встановлені в аглоцехах ВАТ «АМКР». При використанні ДПС з незалежним збудженням та максимальною напругою на якорі 200 В час переміщення заслінки від 0о до 90о складає 25с. Відповідно, виконавчий механізм може бути змодельований інтегруючою ланкою, т.я. кут повороту валу ДПС дорівнює інтегралу від частоти обертів вала. Коефіцієнт підсилення інтегратору може бути знайдений виходячи з наступного: поворот заслінки з 0о до 90о складає 25с. за умови підключення якоря ДПС до номінальної напруги 220В.
                 (1)
Оскільки витрата газу в горн пропорційна куту відкриття заслінки  від 0о до 90о, відповідно подачі Qг=700 м3/год відповідає максимальний кут відкриття 90о, що відповідає моделі підсилюючої ланки:
                 (2)
Оскільки в умовах аглофабрик використовується керований напівпровідниковий випрямляч (КНВ) з номінальною напругою на виході 200В і керованою напругою, що змінюється в межах від 0 до 10В пропорційна частина моделі КНВ може бути визначена наступним чином:
.                                     (3)
В якості датчика температури та підсилювача головного зворотного зв’язку використовується встановлене обладнання ТЭРА-50, ДИСК-250, гр.-РК15 з межами виміру 400 – 1500 оС при відповідному діапазоні вихідних струмів 4-20 мА. За даними умовами модель датчика та підсилювача може бути реалізована на базі підсилювача, коефіцієнт якого визначається за нахилом робочої частини статичної характеристики датчика:
                      (4)
З метою проведення імітаційних досліджень розроблена модель (рис.3) у ПП Matlab адаптивної Neuro-Fuzzy системи автоматичного регулювання температури поверхні шихти під запалювальним горном відповідно до структурної схеми (рис.2). В якості об’єкту керування використана нелінійна динамічна модель об’єкту керування за каналом «температура запалювання шихти – температура повітря в 24 вакуум-камері».

 

Повна нелінійна динамічна модель адаптивного керування процесом спікання  агломерату на базі адаптивної Neuro-Fuzzy системи ARMABIS ADL(2,2)-САР



Рис. 3. Повна нелінійна динамічна модель адаптивного керування процесом спікання агломерату на базі адаптивної Neuro-Fuzzy системи ARMABIS ADL(2,2)-САР  температури поверхні шихти під запалювальним горном.

Результати моделювання адаптивної Neuro-Fuzzy системи ADL(2,2)-САР  температури поверхні шихти під запалювальним горном наведені на рис.4.


Динаміка зміни напруги на якорі  (приводного двигуна) ДПС та кута повороту заслінки при дії широкополосного  гаусовського шуму з відхиленням 1%
Рис. 4. Динаміка зміни напруги на якорі (приводного двигуна) ДПС та кута повороту заслінки при дії широкополосного гаусовського шуму з відхиленням 1%

Результати моделювання свідчать про задовільну якість регулювання адаптивною Neuro-Fuzzy системою ARMABIS ADL(2,2) - САР  температури поверхні шихти під запалювальним горном при варіаціях збурюючого впливу (швидкості аглострічки) та наявності широкополосного гаусовського шуму з відхиленням 1% в каналі виміру температури в 24 вакуум-камері.


Перехідні процеси за температурою у 24  вакуум-камері при впливі шуму в каналі САР та зміні швидкості аглострічки з 2  до 2,5 м/хв.
Рис. 5. Перехідні процеси за температурою у 24 вакуум-камері при впливі шуму в каналі САР та зміні швидкості аглострічки з 2 до 2,5 м/хв.

Типова структурна схема Neuro-Fuzzy системи автоматичного регулювання. В основу Neuro-Fuzzy САР температури поверхні шихти під запалювальним горном покладений метод керування витратою газу, що подається в горн. Дана САР (рис.6) повинна забезпечувати якісне запалювання та повну автоматизацію роботи горну.


Структурна схема адаптивної Neuro-Fuzzy -САР
Рис. 6. Структурна схема адаптивної Neuro-Fuzzy -САР температури поверхні шихти під запалювальним горном

Відповідно до розробленого методу основний контур автоматичного регулювання побудований на типовому обладнанні агловиробництва і включає датчик швидкості аглострічки 10,  датчик витрати газу 7, регулюючий прилад, виконавчий механізм та додатково введений ARMABiS-регулятор, який змінює витрату газу при варіаціях вхідних збурюючих впливів: вологості шихти, вмісту в ній вуглецю та інш.
САР співвідношення «газ–повітря» в горні включена до вторинного контуру  Neuro-Fuzzy-САР температури поверхні шихти під запалювальним горном, яка підтримує заданий коефіцієнт витрати повітря з метою забезпечення повного згоряння газу. 
САР співвідношення «газ–повітря»  складається з датчиків витрати газу і повітря 7, 6, регулюючого приладу 8, задатчика 13 та вентиляторів повітря або дроселю.
Для обмежень температури, які визначаються стійкістю футерівки горну та необхідного ступеню запалювання верхнього шару шихти в систему додатково введено контур корекції температури, який складається з пірометра 1, датчика температури 11, задатчика 9 та коректуючого приладу 12. Контур корекції температури є зовнішнім і впливає на сигнал контуру співвідношення «газ-повітря», відповідно сумарний сигнал змінює витрату повітря, що призводить до корекції температури в горні.
Розроблена адаптивна Neuro-Fuzzy-САР  температури поверхні шихти під запалювальним горном додатково відпрацьовує короткотривале гальмування та пуск, падіння тиску газу та повітря. Відповідно до прототипу [5] при короткотривалому гальмуванні агломашини для збереження бортів палет від перегріву та оплавлення поверхні шихти передбачений режим «малого газу». Дросель «малого газу» 4 по сигналу, який свідчить про гальмування агломашини автоматично зменшує витрату газу на горн до кількості, яка визначається уставкою витратавиміру газу 7 та забезпечує підтримку факелу. Водночас зменшується температура в горні за рахунок зміни коефіцієнта витрати повітря, що забезпечується введенням в командне коло ARMABiS-регулятора контакту витратавиміру повітря 6, який розмикається при витраті яка забезпечує необхідний надлишок повітря.
Для підтримки заданої продуктивності агломераційної машини в початковий період після пуску витрата газу визначається автоматично з метою забезпечення технологічно визначеної температури розігріву горну. На наступному етапі при досягненні робочої температури в горні 11 поступає команда на пуск агломашини.
У системі передбачена автоматична відсічка газу і автоматичне гальмування агломашини при зниженні тиску газу і повітря. Відсічка, як і в прототипі [5] здійснюється клапаном безпеки прямої дії 2, який встановлений на газопроводі та зблокованим з сигналізатором падіння тиску повітря 5 за допомогою триходового електропневматичного клапану 3, який перекриває імпульсну лінію клапану безпеки по сигналу приладу 5 про зниження тиску повітря нижче допустимого.
Висновки.
Проведений аналіз агловиробництва з точки зору автоматизації процесів керування дозволяє зробити висновок, що дане виробництво є типовим нелінійним багаторівневим об’єктом гірничо-металургійної галузі,  для якого реалізація комплексної програми автоматизації пов’язана з вирішенням задач синтезу адаптивних систем багаторівневого керування, які дозволяють підвищити продуктивність виробництва при підтримці заданої якості готового продукту визначеної Технічною інструкцією ТИ 228-АП–56-2003 і зменшити його енергоспоживання.
Розроблена концепція автоматизації агломераційного виробництва, яка заснована на  застосуванні адаптивних Neuro-Fuzzy систем на нижньому рівні САКТП з метою адаптації системи керування до параметричних та сигнальних невизначеностей, а адаптація до функціональних невизначеностей здійснюється на базі розрахунку вектора генеральної стратегії керування верхнім ієрархічним рівнем САКТП.
Список літератури:
1. Автоматизация фабрик окускования железных руд и концентратов / Н. В. Федоровский, В. В. Даньшин, В. И. Губанов, Р. И. Сигуа. – М. : Металлургия, 1986. – 339 с.
2. Федоровский Н. В. Некоторые вопросы оптимизации агломерационного производства / Н. В. Федоровский, Е. М. Дементьева, В. И. Плескач, М. Ф. Таравский // Автоматизация агломерационного и доменного производства. – Киев : Техника, 1969. – С. 94–101.
3. Федоровский Н. В. Исследование основных параметров регулирования процесса спекания агломерата / Н. В. Федоровский, А. Л. Матов, В. Г. Кучер [и др.] // Автоматизация агломерационного и доменного производства. – Киев : Техника, 1969. – С. 126–133.
4. Щокін В. П., Мисько С. М., Міщенко П. Д. Інтегрована інформаційно-керуюча система виробництва агломерату //Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2005. – №. 4/2. – С. 16.
5. Шурхал В. А. Автоматическое регулирование зажигания при агломерации / В. А. Шурхал, А. А. Сигов, Е. В. Невмержицкий // Автоматизация агломерационного и доменного производства. – К. : Техника, 1969. – С. 25–35.
6. Аналіз енергетичних режимів роботи основних цехів ВАТ «ПівдГЗК»: РЗФ-1, РЗФ-2 / В. Д. Сидоренко, В. С. Моркун, В. П. Щокін // Науково-технічний звіт передбачений технічним завданням, календарним планом та умовами договору НДР № 1392/20-938-12 від 01 вересня 2012р. між ВАТ «ПівдГЗК» та ДВНЗ «Криворізький національний університет». – 20.11.2012. – 97 с.


Презентация

Контакты

 

 

Контакты

НАШІ КОНТАКТИ:

[email protected]

[email protected]

м. Дніпро

моб. +38 (050) 320 69 72

ISSN 20760507

Керівник проекту - Гриньов Володимир Анатолійович

Партнеры