Исследование и оптимизация электромеханических систем управления дробильными комплексами

Дробильные комплексы, содержащие в различных вариантах сочетания дробилок, грохотов, транспортеров и бункеров, находят применение в горной, металлургической, строительной, химической, угольной, энергетической и других отраслях промышленности народного хозяйства.

Суммарная установленная мощность электроприводов агрегатов дробильных комплексов может составлять несколько сотен кВт. Учитывая специфику условий эксплуатации электрооборудования и стремление к простоте систем электропривода преимущественное распространение в комплексах получили системы с асинхронными двигателями с фазным ротором. Регулирование скорости осуществляется путем включения реостатов в цепь ротора. Невысокие стоимости электроэнергии и относительная надежность простых систем электропривода делали оправданными такое решение независимо от высоких эксплуатационных затратах, связанных, главным образом, с затратами на электроэнергию.

Увеличение стоимости электроэнергии привело к тому, что при длительном режиме работы комплекса стоимость электроэнергии в общей стоимости процесса дробления составляет в России до (40 — 50)%. Аналогичная ситуация и в зарубежных странах, например в странах Арабского Востока, при стоимости электроэнергии (0,20 — 0,25)$ за кВт, составляет (60 — 70)%. В этих условиях вопросы электросбережения становятся чрезвычайно актуальными и требуют перехода к экономичным регулируемым электроприводам с автоматическим выбором режима управления в соответствии с изменяющимися условиями работы комплекса. Изменение условий связаны, прежде всего, с изменением свойств дробимого вещества (плотности, размера), а также с производительностью.

Вопросы электросбережения в таких комплексах актуальны не только с точки зрения себестоимости процесса дробления, но, и зачастую, по причине ограниченности мощности электроэнергии при питании от автономных и ограниченных по мощности источников.

Исследования по дроблению и измельчению проводили российские ученые В. А. Олевский, В. Л. Кирпичев, В. А. Бауман, С. В. Андреев, В. В.

— 6.

Клушанцев, и др., институты ВНИИ — СТРОЙДОРМАШ, МЕХАНОБР, ВНИИЗ, ИОТТ.

Основным недостатком этих работ является то, что исследуются все процессы дробления в статике, а также при помощи кино и видеосъемки, а затем производится попытка физического описания процессов дробления. В этих работах отсутствует исследование динамических процессов. Вся теория дробления не имеет выход на построение системы управления с оптимальными законами управления.

Исследования по оптимизации электромеханических систем управления проводили российские ученые Башарин А. В., Борцов Ю. А., Браславский И. Я., Ильинский Н. Ф., Ключев В. И., Козярук А. Е., Новиков В. А., Рассудов Л. Н., Соколовский Г. Г., и др.

Из исследования разнообразных факторов электросбережения, выделяются три главных: технологический, режимный, элементный. Технологический — определяется топологией дробильного комплекса и набором агрегатов, обеспечивающих процесс дробления со среднестатистическими исходными и конечными размерами вещества. Имеются оценки работ, затрачиваемых на процесс дробления в отдельных агрегатах и в комплексе в целом, с помощью которых можно выявить оптимальную по электрозатратам топологию комплекса и типы отдельны используемых агрегатов. Режимный — определяется оптимальным режимом работы оборудования с учетом текущих параметров вещества (размеров, формы, твердости и др.). Режимы устанавливаются путем изменения скорости и нагрузки приводов основных агрегатов комплекса. Элементный — определяется главным образом типом применяемого электропривода и способом регулирования его скорости.

В режимном факторе выделяется два момента. 1. Регулируя скорости подачи вещества питателями, изменяя режимы работы дробилок и грохотов, можно приблизить технологический процесс к непрерывному и получить экономию электроэнергии при сохранении заданного качества и производительности дробления. 2. В дробилках и грохотах путем регулирования скорости обеспечиваются оптимальные режимы, соответствующие текущим параметрам перерабатываемого вещества.

Из большого разнообразия регулируемых электроприводов выделяется два основных: частотно — регулируемых электроприводов с асинхронными двигателями с короткозамкнутым и с фазным роторами. Во втором случае регулирование осуществляется по цепи ротора в режиме машины двойного питания.

Автоматическое управление электроприводами на горнообогатительных предприятиях обеспечивает значительный технико-экономический эффект в следствии: повышения производительности труда путем снижения трудоемкости обслуживания агрегатов и возрастания их производительностиповышения производительности основного и вспомогательного оборудования камнедробильных комплексов за счет их управления по оптимальным законамувеличения пропускной способности транспортных систем (питателей, конвейеров) — сокращения расхода энергии и материаловулучшения качества процесса дробления и как следствие качества выходного вещества.

Основная задача дробления — получение заданного количества оптимальных, с точки зрения последующего обогащения, классоз крупности. Стабилизация гранулометрического состава конечного продукта дробления позволяет улучшить работу последующих стадий обогащения и с целом улучшить технико-экономические показатели всего процесса. Определенные требования предъявляются и к качественному составу продуктов дробления: форме кусков и прочности различных фракций.

Целью диссертационной работы является исследование электромеханических систем дробильных агрегатов и комплексов, как объектов управления, и разработка системы автоматической оптимизации по критериям, включающим в себя оценки электропотребления и производительности при изменении параметров и физических свойств дробимого вещества.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи:

4.5 Выводы по главе.

В работе приводится принципиальная схема дробильного комплекса фирмы ШООАН, позволяющая в кратчайшие сроки произвести модернизацию действующего оборудования и приводящую к существенной экономии электроэнергии.

Разработана функциональная электрическая схема дробильного комплекса фирмы ЛТЮАН, отличающая от существующей тем, что в нее введен модуль (блок) автоматической оптимизации.

Проведено математическое моделирование камнедробильного комплекса фирмы ШОБЛЫ, которое подтвердило правильность теоретических выводов.

— 169-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Дробильные комплексы находят применение в различных отраслях промышленности и народного хозяйства. Вопросы электросбережения актуальны не только с точки зрения себестоимости процесса дробления, но и по причине ограниченности мощности электроэнергии при питании от автономных и ограниченных по мощности источников. Это делает задачу электросбережения весьма актуальной, а модернизацию электрооборудования дробильных комплексов экономически оправданной с быстрым сроком окупаемости. В связи с этим в диссертационной работе:

Приводится характеристика основных агрегатов, входящих в дробильные комплексы, а также анализ вспомогательного оборудования. Конкретно взят на рассмотрение комплекс, в который входят: конусная и роторная дробилки, конвейеры, грохот и бункера.

Проведенный анализ современных электроприводов, применяемых в камнедробильных комплексах доказывает правильность выбора асинхронного двигателя с частотным управлением.

Ставятся задачи управления и оптимизации комплекса с точки зрения энергосбережения.

Выполнена оценка показателей, характеризующих энергозатраты, производительность и качество дробления, которые использованы при разработке алгоритма оптимизации. Проведен анализ процессов в дробильных агрегатах и комплексах с точки зрения решения задач автоматической оптимизации по электропотреблению и производительности. На основании теории дробления получены зависимости, обеспечивающие взаимосвязь переменных, характеризующих производительность и электропотребление при изменении размеров и физических свойств дробимого вещества. Обоснованы условия изменения частоты движений рабочих органов агрегатов, соответствующие оптимальным режимам работы агрегатов.

Проведенный анализ электроприводов основных и вспомогательных механизмов, а также режимов работы дробилок, позволяет сделать следующие выводы:

Применение кино и видеосъемки при исследовании процессов дробления не позволяет в полной мере оценить динамические характеристики элек.

— 170троприводов в различных режимах. Поэтому в работе разработана компьютерная модель, позволяющая моделировать различные режимы дробления, проводить оптимизацию работы системы управления камнедробильным комплексом.

В диссертационной работе разработаны две модели: первая модель предназначена для изучения только процесса дроблениявторая модель включает и математическое описание системы управления.

Анализ современного программного обеспечения показывает, что из огромного количества программных продуктов наиболее близким по назначению можно отнести специализированный пакет программ решения дифференциальных уравнений — PHASER, а также большие возможности пакета SIMULINK. Большую роль в задачах исследования электромеханических систем и систем управления ими играют языки математических вычислений, предназначенные для максимального облегчения вычислительного процесса и построения математических моделей.

На основании математических моделей электромеханических систем управления дробильных агрегатов различного типа получены обобщенные компьютерные модели, предназначенные для решения задач автоматической оптимизации. Разработаны обобщенные компьютерные модели электромеха нических систем дробильных агрегатов учитывающие как физические свойства дробимого вещества, технико-экономические показатели дробильных агрегатов, так и физические процессы дробления.

Для математического моделирования использовались MathCAD, Math-Connex и Excell.

Математическая теория оптимизации включает в себя фундаментальные результаты и численные методы, позволяющие находить наилучший вариант из множества возможных альтернатив без их полного перебора и сравнения.

Реализация режимов оптимизации на промышленных контроллерах требует применения компактных, с хорошими временными характеристиками, программных средств.

Огромное количество численных методов оптимизации позволяет более конкретно подойти к выбору алгоритма автоматической оптимизации. Наибо.

— 171 лее эффективными и с хорошими временными характеристиками оказались методы безусловной минимизации функций многих переменных (прямые методы и использующие производные функции). Для решения поставленных задач был выбран метод прямого поиска, предложенный Хуком и Дживсом.

Для реализации режимов автоматической оптимизации математическая модель содержит блоки автоматической оптимизации, оценки функционала качества и выработки управляющего воздействия на входы дробильных агрегатов. Эти функциональные блоки в полной мере отражают физические процессы дробления и ее энергетику.

Разработаны структура и принципы построения системы автоматической оптимизации дробильных агрегатов, основанные на уравнении баланса энергии, затрачиваемой на дробление и схемы дробильного комплекса.

Структура поисковой системы автоматической оптимизации содержит блоки: оценок составляющих энергий, оптимизации и исполнения, обеспечивающих изменение частоты движений рабочих органов дробильных агрегатов при изменении размеров и физических свойств дробимого вещества в соответствии с заданными критериями оптимизации.

Разработаны алгоритмы автоматической оптимизации по минимуму электропотребления при заданной производительности и максимуму производительности при заданной мощности электропотребления, основанные на оценке отношения затраченной энергии дроблении на заданном временном интервале к потребляемой за это время электроэнергии.

Разработана функциональная схема дробильного комплекса фирмы ДЕЕЮАН, отличающая от существующей тем, что в нее введен модуль (блок) автоматической оптимизации.

Проведено математическое моделирование камнедробильного комплекса фирмы ШИВ АН, которое подтвердило правильность теоретических выводов.

Разработана автоматическая система регулирования величины сжатия пружин отражательных плит, позволяющая дополнительно экономить электроэнергию при дроблении вещества, за счет дополнительного движения отражательной плиты.

— 172.

Разработан алгоритм автоматической оптимизации электромеханической системы управления отражательными плитами в роторных дробильных агрегатах. Алгоритм основан на изменении коэффициента жесткости пружин отражательных плит из условия соответствия частоты упругих колебаний плит и частоты ударов билами по дробимому веществу.

Научные результаты и выводы обоснованы теоретически и подтверждаются результатами исследований при помощи моделирования на ПК.

— 173.