Автоматизация процесса обжига клинкера на основе статистической идентификации динамических параметров вращающейся печи

Актуальность. В настоящее время в России производство цементного клинкера в основном осуществляется во вращающихся обжиговых печах, работающих по «мокрому» способу производства. Важнейшую роль в производстве цемента по «мокрому» способу играет обжиг клинкера, на который приходится около 80% от общих энергозатрат, связанных с производством цемента[1,2]. Поэтому исследования по интенсификации и оптимизации обжига клинкера являются актуальными.

На существующих вращающихся печах для обжига уровень автоматизации еще не отвечает состоянию развития техники управления, контроль за состоянием технологического процесса осуществляется в основном аналоговыми измерительными средствами. На цементных производствах, где применяются современные средства автоматизации все еще главную роль в управлении занимает оператор, на которого возлагаются функции принятия решения на основе информации формируемой на пульте управления, при этом возможны ошибки в силу человеческого фактора. Создание полностью автоматической системы управления печью обжига с использованием инженерных методов автоматизации затрудняется тем, что процессы в печи являются достаточно сложными с точки зрения математического описания[3], поэтому для разработки системы управления требуется применение научных методов.

Интенсификация процесса обжига в основном должна быть направлена на обеспечение рационального режима обжига материала в печи, что достигается за счет снижения энергозатрат при одновременном обеспечении качества продукта на требуемом уровне[4]. Сформулированные условия могут быть выполнены благодаря построению автоматизированной системы управления, повторяющей функции человека, помогающей оператору управлять процессом обжига, вовремя корректировать режимы обжига, поддерживать параметры на требуемом уровне.

Процесс обжига клинкера характеризуется тем, что во вращающейся печи обжига происходят взаимосвязанные физические и химические превращения вещества, тепломассобменные процессы, происходит движение материала от холодного конца печи, происходит сжигание топлива. Приведенные процессы являются достаточно сложными. При разработке же автоматизированной системы управления печью обжига как единым агрегатом проявляются взаимные связи между данными процессами, которые накладываются друг на друга. Например процесс декарбонизации, с выделением С02 воздействует на процесс сжигания топлива как углекислотный огнетушитель, тем самым изменяя форму факела, что в свою очередь влияет на разложение СаС03. Или, например при возникновения сильного пыления клинкера пропускная способность холодильника уменьшается, что негативно влияет на тягодутьевой режим и может привести к еще большему пылению[5]. Таким образом, можно сказать, что при управлении вращающейся печью обжига нельзя отдельно воздействовать на какой-либо один процесс или параметр, а нужно учитывать взаимозависимость технологических величин.

Обжиг цементного клинкера во вращающихся печах за достаточно длительный период их использования изучен многими исследователями, такими как Гинзбург И. Б., Тимашев В. В., Гельфанд Я. Е., Классен В. К., Лугинина И. Г., Беседин П. В., Трубаев П. А., Борисов И. Н. При этом научные исследования в основном разделяются на два направления: исследование физико-химических процессов клинкерообразования с глубоким анализом химии процессов и изучение теплотехнических процессов во вращающихся печах[6].

Для цеха обжига клинкера основными технико-экономическими показателями, которые характеризуют работу цеха, выступают производительность печей, качество клинкера и затраты на обжиг. Качество клинкера характеризуется его активностью, определяемой физико-механическими испытаниями после твердения специально приготовленных образцов цемента, исходным сырьем для которого и является цементный клинкер, поступающий после обжига в цех помола. Большой промежуток времени определения качества клинкера лабораторными испытаниями образцов, служит причиной того, что о качестве клинкера судят по гранулометрическим характеристикам или по содержанию в клинкере свободной окиси кальция[7].

В работе Е.Я. Гельфанда[8] отмечено, что критерием управления может служить максимум производительности вращающейся печи £т или минимум удельных затрат на обжиг клинкера Я, при этом можно применить для управления функцию этих переменных Щ^Д). Для создания оптимальной системы управления обжигом по некоторому оптимальному критерию, нужна математическая зависимость, которая отражает связь данного показателя и управляющих входов объекта.

Как описано у В.К. Классена[9] основными управляемыми входами могут служить: расход топлива д, тяга к, расход сырья поступающего в печь, и скорость ее вращения V. Помимо этого, в случае твердого топлива можно воздействовать на первичный воздух на печах с колосниковыми холодильниками — и на вторичный воздух, подаваемый в печь.

Возможности совершенствования разработанных систем управления печью далеко не исчерпаны. Перспективным является применение микропроцессорной техники и создание более совершенных алгоритмов управления со статической оптимизацией и динамической стабилизацией на базе адаптивных моделей процессов[10].

Разработка современных автоматизированных систем управления процессом обжига в печи, на основе идентификации математической модели является, таким образом, актуальной задачей, настоятельно требующей своего решения.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса обжига клинкера за счет оптимизации управления обжигом с помощью разработанной автоматизированной системы управления, локальные подсистемы которой реализуют управление вращающейся цементной печью.

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

— разработка математической модели динамики процесса обжига и теплообмена в печи на основе реальных технологических параметров, характеризующих переменные состояния объекта управления;

— построение математической модели печи как распределенного объекта, состоящего из нескольких зон преобразования материала, пригодной для решения задачи оптимизации теплообмена по компенсационному признаку;

— разработка локальных подсистем управления с использованием принципов каскадности и связности;

— параметрический синтез оптимальной системы управления печи обжига как распределенного объекта.

Научную новизну работы составляют:

— математическая модель динамики процесса обжига и теплообмена в печи, построенная на основе корреляционных методов, применяемых к реальным технологическим параметрам, характеризующим переменные состояния объекта управления;

— математическая модель печи как распределенного объекта, состоящего из нескольких зон преобразования материала, допускающая возможность оптимизации теплового режима печи;

— разработанная советующая автоматизированная система управления, состоящая из локальных подсистем, построенных по принципам оптимальности, каскадности и автономности.

Практическая значимость работы заключается в:

— повышении эффективности процесса обжига клинкера за счет внедрения инновационных технологий процесса управления, благодаря параметрической оптимизации процесса и сочетанию эффектов локальных подсистем в единой советующей системе.

— оригинальном программном приложении расчета и идентификации параметров модели по статистической информации о реальных процессах в печи, которое может применяться для идентификации сложных объектов управления.

Внедрение результатов исследований:

— предложенный подход и структура алгоритмов рекомендованы для внедрения в рамках соглашения между БГТУ им. В. Г. Шухова и ОАО «Осколцемент», где проведены испытания оптимальных режимов на печи обжига № 1, которые выявили эффективность предложенных алгоритмов управления процессом обжига;

— отдельные элементы автоматизированной системы управления в форме локальных подсистем приняты к внедрению на ОАО «Себряковцемент»;

— алгоритмы и программы внедрены в учебном процессе в рамках реализации учебного плана подготовки специалистов по специальности 220 301.

Диссертационная работа выполнена на кафедре ТК в рамках плана НИР БГТУ им. В. Г. Шухова по единому заказ — наряду Министерства образования и науки РФ в 2008;2011 г, а также поддержана грантом УМНИК по теме «Создание структуры системы управления вращающейся печью на основе комбинированных методов» в 2010;2011 г.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается корректным и обоснованным применением положений и методов теории и автоматического управления и статистической динамики систем управления, а также подтверждается совпадением теоретических выводов и результатов моделирования в плане числовых вероятностных характеристик с обработкой экспериментального материала.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии».

— XX научные чтения (Белгород: 2011), на Международной научно-практической конференции «Математические методы в технике и технологиях».

— ММТТ-23 (Смоленск: 2010) и ММТТ-24 (Киев: 2011), на второй Международной научно-технической конференции «КНИТ-2011» (Белгород: 2011), на Всероссийской научной школе «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы» (Новочеркасск: 2011), на научно-практическом семинаре «Применение современных средств управления для автоматизации промышленных объектов» (Белгород, 2010).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах: 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ[11−13], 8 докладов — в трудах конференций[ 14−21], получено регистрационное свидетельство на программный продукт[22].

Личный вклад соискателя в работах, опубликованных в соавторстве состоит в следующем: [12,17,18] - разработана математическая модель обжига клинкера как модель взаимосвязного объекта и программа для получения математической модели в пакетах MathCAD, MATLAB и Delphi 7.0- в [11] -предложен программный продукт для идентификации сложных объектов, обладающих свойством связностив [14] - получена автономная система управления обжигом клинкера, в [15,16] - каскадная системав [18,19] -произведен учет динамики работы печи как средства повышения ее эффективности, в [13,22] - представлен адаптивный алгоритм в виде сети Петри и блок-схемы, в [20] - разработана система поддержания свободной окиси кальция по распределенным переменным.

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

Методы исследования. В работе при решении задач были использованы методы статистической динамики, теории тепломассообмена, теории систем и системного анализа, теории управления и методы математического моделирования. Численное моделирование выполнено на ПЭВМ с использованием пакета МАТЬАВ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 131 странице машинописного текста, включая список использованной литературы из 70 наименований, и двух приложений.

Основные результаты диссертационной работы следующие.

1. Разработана математическая модель динамики процесса обжига и теплообмена в печи, построенная на основе корреляционных методов, применяемых к реальным технологическим параметрам, характеризующим переменные состояния объекта управления.

2. Построена математическая модель печи как распределенного объекта, состоящего из нескольких зон преобразования материала, на основе которой проведена параметрическая оптимизация теплового режима печи.

3. Разработан алгоритм и программа идентификации структуры и параметров модели по экспериментальным данным, пригодная для широкого использования для идентификации других сложных объектов управления.

4. Получены условия автономности связной системы управления и предложена структура автономной системы управления по двум переменнымтемпературе отходящих газов и содержанию С02.

5. Показана целесообразность применения каскадной системы регулирования тока нагрузки главного привода вращающейся печи обжига клинкера в связи с наличием переменных, изменяющихся с существенно различной скоростью, и синтезирована структура каскадной системы, используемой в качестве подсистемы советующей системы.

6. Решена задача оптимизации теплообмена в печи по компенсационному признаку и предложена структура системы, обеспечивающая минимум свободной окиси кальция.

7. Разработана структура микропроцессорной системы автоматизации, обеспечивающей выбор и стабилизацию оптимальных рабочих режимов обжига клинкера.

8. Разработана советующая система управления теплообменом в печи, состоящая из локальных подсистем, построенных по принципам оптимальности, каскадности и автономности.