Имитационное моделирование как инструмент системного анализа технико-экономических показателей технологических процессов обогащения полезных ископаемых

Развитие технологии, создание высокопроизводительного оборудования, организация производства и управления им — основа совершенствования производства и улучшения его технико-экономических показателей. Создание сложных и разветвленных народнохозяйственных механизмов, разработка технических объектов и систем, проблемы управления, экономики и экологии обусловили необходимость использования нетрадиционных для конкретной области методов и методик, а также необходимость проведения исследований междисциплинарного характера. В этих условиях возникли так называемые системные методы исследований, занимающие существенное место в современной науке.

Специальная разработка системных проблем началась с середины XX века в связи с переходом к изучению и использованию на практике сложных, многокомпонентных систем. Бурный прогресс вычислительной техники служит мощным импульсом для развития системных исследований. В научной литературе, посвященной системным исследованиям, довольно часто используются такие понятия, как «системный подход», «теория систем», «системный анализ» и «системотехника».

В самом общем и широком смысле слова под системным исследованием понимают такой метод, при котором предметы и явления рассматриваются как части или элементы определенного целостного образования. Эти части или элементы, взаимодействуя друг с другом, определяют новые, целостные свойства системы, которые отсутствуют у отдельных ее элементов [18].

Система — это множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность и единство [24].

Теория систем изучает общие проблемы связи целого и его частей. В более узком понимании это вопросы, связанные с решением следующих задач: определение содержания проблемназначение и (или) определение целей при принятии решенийпоиск путей решения проблемпроектирование и (или) построение систем для достижения целей и т. д. В настоящее время теория систем является отраслью знаний, относящейся к методологии всей науки в целом. 4.

Под системотехникой понимается научное направление, охватывающее проектирование, конструирование, испытание и эксплуатацию новейших технических систем, в которых учитываются не только работа механизмов, но и действия человека-оператора, управляющего ими. Таким образом, системотехника связана с практической реализацией системных методов при создании конкретных технических систем.

Системный подход базируется на целостном видении исследуемых объектов с точки зрения целей исследования. В отличие от «бытового» подхода (от простого к сложному, от элемента к системе), при решении задач он исходит из того, что исследование (или решение задачи) начинается с целей исследования, которые на основе анализа объекта исследования переносятся на задачи анализа и формирования моделей элементов (до решения подзадач) с учетом взаимосвязи элементов. При этом организуются два взаимодействующих по принципу обратной связи процесса: декомпозиция исследования (задачи) на этапы (подзадачи) — разработка, выполнение этапов (решение подзадач) и интегрирование результатов, полученных на этапах, для достижения цели исследования (решения задачи). Следует отметить, что системный подход — это некий общеметодологический принцип.

Системный анализ представляет собой методологию анализа сложных систем, формирования и обоснования решений по комплексным и многоуровневым проблемам сложных систем. Таким образом, под системным анализом мы будем понимать совокупность методов исследования сложных систем.

Обобщая вышесказанное, можно заключить, что системные исследования основываются на общей теории систем и системном подходе, как общенаучных методологических принципах, и проходят последовательно этапы системного анализа и системотехники. При этом отметим итеративность цепочки «системный анализ — системотехника».

Процесс анализа можно разбить на три стадии: формулировка целей исследования, определение исходных предпосылок и границ исследования, предварительный выбор инструментов анализанакопление информации, анализ 5 системы и разработка вариантов решенийоценка решений и выбор наиболее эффективного решения.

Методы системного анализа имеют свои преимущества и недостатки, определяющие их область применения как по отношению к типу проблемы, так и к этапу ее решения. Для принятия решений в условиях большей определенности, что обычно имеет место на нижнем уровне иерархии экономических систем, успешно применяются формальные математические методы. По мере перехода на более высокие уровни иерархии количественная определенность в постановке и решении проблем уменьшается, цели, и другие элементы системного анализа приобретают все более качественный характер. Соответственно, все большее число задач решается в условиях повышенного риска и неопределенности. Как следствие, возрастающее значение приобретают субъективные методы анализа, оперирующие с мысленными моделями, тогда как чисто математические методы начинают играть вспомогательную роль. Преимуществом методов системного анализа уровня модельного эксперимента является возможность проводить исследования какого-либо объекта без непосредственного обращения к нему.

Процесс обогащения полезных ископаемых, как любой процесс, может быть представлен как совокупность двух систем — управляемой (объект управления) и управляющей (система управления). От системы управления к объекту поступает управляющая информация, которая заставляет его действовать по заданному закону. В свою очередь, объект управления передает в систему управления информацию, которая позволяет судить о состоянии объекта и режимах его функционирования. Естественно, что система управления и объект управления могут получать информацию из внешней среды. Перерабатывая ее, система управления формирует и выдаёт управляющие воздействия с тем, чтобы поддерживать работу объекта управления в заданных пределах. Такой информационный подход к описанию и изучению широкого класса систем составляет основу кибернетики, как науки об управлении. I.

Рассматривая горно-обогатительные предприятия с системных позиций, следует отметить, что специфической чертой обогатительного технологического процесса является сложность протекающих в нем физических процессов: трёхфазная среда «газ-твёрдое-жидкость». Это приводит к существенным трудностям как в организации контроля (крайне мала номенклатура датчиков и других контролирующих устройств), так и в реализации управления (ограничен набор математически обоснованных алгоритмов).

Восточная Сибирь и Дальний Восток занимают лидирующие позиции в стране по объемам добычи цветных и благородных металлов, угля, алмазов, редких и радиоактивных руд, а также масштабам геологического изучения недр на углеводородное сырье.

На севере Иркутской области расположены месторождения национального значения: Сухоложское золоторудное, Ковыктинское газоконденсатное, Непское калийных солей, Большетагнинское редкометальное, Савинское магнезитовое, Ангаро-Катская группа железорудных месторождений и др. Их разработка осложняется труднодоступностью и трудноизвлекаемостью. В соответствии с «Концепцией социально-экономического развития Иркутской области на период до 2020 г.», в рамках зоны опережающего развития «СевероСибирский индустриальный пояс» на севере региона планируется организация производств по комплексной переработке природных ресурсов с достижением максимально возможного уровня технологических переделов.

Вновь вовлекаемые в разработку месторождения полезных ископаемых характеризуются слабой геологической изученностью, низким содержанием полезных компонентов, труднообогатимым составом руд, более сложными горнотехническими условиями залегания. В связи с этим освоение новых месторождений должно сопровождаться проведением комплексных научно-исследовательских работ, включающих современные поисковые горнотехнические, гидрогеологические и экологические изыскания, детальное изучение физико-механических свойств пород, обогатимости и промывистости полезного ископаемого, с дальнейшим созданием рациональных технологий по добыче и обогащению сырья.

В связи с этим Иркутская область испытывает огромную потребность в разработке и внедрении инновационных технологий разведки, добычи и обогащения минерального сырья.

Вьетнам является одной из восточноазиатских стран, в которой богаты и разнообразны полезные ископаемые. По национальной геологической статистике 2008;2010 гг. во Вьетнаме имеются более 5000 месторождений и руд с более 60 типами полезных ископаемых, расположенных в большинстве в северной и центральной части страны. Например, 13 из 216 железорудных месторождений с объёмом более 2 млн. т. находятся на севере, 5 алюминиевых месторождений в центре страны с общим объёмом 5,5 млрд. т., 6 больших титановых руд с объёмом 1−5 млн. т. и 8 средних с объёмом более 100,000 т. в центральной части страны и др.

Однако, технологии добычи и обогащения полезных ископаемых во Вьетнаме отсталые. Большинство горно-обогатительных комбинатов применяют кустарные способы добычи и извлечения. Технические и экономические показатели не удовлетворяют требованиям. Некоторые комбинаты такие, как угольная фабрика Куанг Нинь, комбинат апатита и чугуна Тхай Нгуен, цинково-свинцовая фабрика Ланг Хить, алюминиевая фабрика Дак Лак применяют новые технологии обогащения, но всё-таки техническое и технологическое составное горно-обогатительной промышленности не соответствует её роли в экономической системе страны. Это приводит к необходимости разработки и внедрения инновационных технологий разведки, добычи и обогащения минерального сырья во Вьетнаме.

С этой точкой зрения, актуальными являются исследования сложных технических систем, в том числе и технологических процессов обогащения полезных ископаемых посредством системного анализа и его методологии.

4.3. Выводы по главе.

В данной главе представлено описание программного комплекса, реализующего вышеизложенные методы и методики исследования технологических схем, автоматизированного синтеза имитационных моделей, автоматизированного решения систем нелинейных уравнений и имитационного моделирования технологических схем обогащения полезных ископаемых.

Приведены преимущества среды разработки приложений Delphi, которые обусловили её выбор для реализации разработанной имитационной модели.

Также подробно описан графический редактор, предназначенный для проектирования технологических схем с возможностью задания технических параметров, и описаны основные процедуры и функции модулей технической и экономической моделей.

Проведено исследование технологической схемы Онотского месторождения и фрагмента технологической схемы Коршуновского ГОКа. Результаты реализации модели подтвердили правильность и полезность разработанного программного комплекса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ сложных систем связан с необходимостью учитывать и оценивать большое количество разнообразных по своей природе факторов и принимать решения в условиях неопределенности и недостаточной информированности. Кроме того, актуальна проблема разработки методов динамического моделирования процессов функционирования объектов, особенно обогатительных предприятий. Необходимо сформировать методологию анализа структуры и состава технологических схемы обогащения полезных ископаемых, разработать методы и методики прогнозирования совершенствования и развития технологических процессов, увязать создание оборудования, технологии производства, новых методов обогащения со смежными отраслями — геологическими науками, технологией добычи полезных ископаемых, металлургией и отраслями, использующими обогащенные продукты. Именно использование методологии системного анализа, имитационного моделирования с учётом динамического характера протекающих в обогатительных процессах, внешних и внутренних возмущений и с возможностью задания сценария исследования обеспечивает возможность проведения обширных предпроектных исследований с автоматизированным выбором наиболее эффективных схем обогащения, изготовлением необходимой проектной документации, обучением персонала работе в рамках проектируемого технологического процесса и решение многих других сопутствующих задач, а также при реконструкции и модернизации обогатительных фабрик.

Таким образом, преследуемой в данной диссертационной работе целью является разработка методик построения и применения имитационных моделей для повышения эффективности технологических процессов обогащения полезных ископаемых, экономической оценки эффективности и прогнозирования развития обогатительного предприятия с учетом динамических свойств процессов, имеющих место в обогатительной технологии.

Для достижения поставленной цели были:

1) проанализированы существующие методологии системных исследований;

2) проанализировано имитационное моделирование как эффективный инструмент системных исследований сложных производственных объектов, в том числе и обогатительных предприятий;

3) рассмотрены основные этапы проектирования обогатительных предприятий и современные технологии извлечения полезных ископаемых, включающие разделительные свойства частиц, обогатительные аппараты, стадии обогащения, технические и экономические показатели обогатительных технологий и оборудования, и качественно-количественные схемы обогащения;

4) подробно рассмотрен метод структурных графов для автоматизированного синтеза имитационных моделей технологических процессов обогащения на этапе их проектирования;

5) предложен эвристический метод поиска дополнительных уравнений систем нелинейных уравнений для имитации обогатительных технологий на стадии проектирования;

6) предложен алгоритм автоматизированного решения систем нелинейных уравнений в обогащении в символьном виде для дальнейшего исследования в имитационной модели;

7) рассмотрены и применены методы вычисления сепарационных характеристик обогатительных аппаратов и результирующих сепарационных характеристик схем для прогнозирования технических и экономических показателей функционирующих процессов обогащения;

8) разработана программа графического редактора для проектирования технологических схем с возможностью задания пользователем технических параметров;

9) разработана имитационная модель, включающая в себя два метода, обеспечивающих построение модели разделительной операции на разных стадиях — метод С-графов и метод сепарационных характеристик;

10) разработана экономическая модель для оценки экономической эффек.

131 тивности на основе технических решений обогатительных предприятий;

11) разработано алгоритмическое обеспечение и создан программный комплекс, включающий в себя три компонента: графический редактор для проектирования технологических схем обогащения полезных ископаемых с возможностью задания пользователем технических параметров, техническую модель и экономическую модель для реализации имитационных моделей технологических процессов обогащенияСледует отметить, что два метода, обеспечивающие построение имитационной модели разделительной операции — метод С-графов и метод сепарационных характеристик: предназначены для использования на разных стадиях проектированияи эксплуатации обогатительных фабрик. Один из них — метод структурных графов — использован на этапе проектирования обогатительного предприятия, так как имеющейся на этом этапе информации достаточно для построения модели разделительной операции. Второй-метод.— сепарационных характеристик — является более точным и позволяет учесть не только свойства сырья, но и структуру технологической схемы, параметры оборудования и управляющие параметры. Но для его использования требуется наличие детальной информации, на основе которой находятся параметры сепарационных функций. Поэтому этот метод может быть применен только в условиях действующего предприятия.

В разработанной имитационнрй модели применены оба этихметодаМетод С-графов вместе с эвристическим методом поиска дополнительный уравнений': и разработанным, алгоритмомрешения систем: нелинейных, уравнений в, символьном виде позволяет найти неизвестные коэффициенты промежуточных операторов и масс частиц в символьном виде, представляющие собой функции от входной и выходной информации, для дальнейших численных расчётовМетод сепарационных характеристик вместе с методом вычисления результирующих сепарационных характеристик схем позволяет рассчитать прогнозные технологические и экономические показатели процессов обогащения. Задачей расчёта этих схем является нахождение выходов у, производительностей (2-, со ' 132- ' держаний интересующих компонентов р-, и извлечений 8- для каждого из продуктов (концентратов и хвостов) схемы.

Для определения экономической эффективности в условиях горнообогатительных комбинатов представлены расчеты экономических показателей, связанных с изменениями объема производства, извлечения ценных компонентов в концентрате, качества исходного сырья, поступающего в. переработку, комплексности использования сырья и отходов производства, расходных коэффициентов и цен на материалы, топливо, электроэнергию.

С целью реализации разработанных имитационной модели и предлагаемых методик и методов создан программный комплекс, включающий в себя три компонента: графический редактор для компьютерного проектирования технологических схем обогащения полезных ископаемых с возможностью задания технических характеристик, техническую модель технологических процессов обогащения и экономическую модель на основе технических решений горнообогатительных предприятий. Программа разработана в среде разработки приложений Delphi 7. Панель инструментов и кнопки, расположенные на окнах программы, позволяют пользователям исследовать модели с возможностью задания сценария исследования. Разработанный программный комплекс успешно реализует постановленные задачи. Полученные результаты модели фрагмента технологической схемы и реальной схемы подтвердили правильность и полезность разработанного программного комплекса.

Таким образом, в рамках проведенного исследования были получены следующие результаты.

Во-первых, разработана методика синтеза имитационных моделей проектируемых и действующих технологических процессов обогащения полезных ископаемых, максимально использующая имеющуюся информацию об объекте моделирования. Методика включает два метода, обеспечивающих построения модели разделительной операции на разных стадиях — метод С-графов на стадии проектирования и метод сепарационных характеристик на стадии эксплуатации.

Во-вторых, предложен эвристический метод поиска дополнительных уравнений систем нелинейных уравнений для определения разделительных коэффициентов качественно-количественных схем для расчёта и моделирования обогатительных процессов.

В-третьих, разработан алгоритм автоматизированного решения систем нелинейных уравнений для определения разделительных коэффициентов качественно-количественных схем в символьном виде для дальнейшего исследования в имитационной модели.

В-четвертых, разработана методика применения многомерных результирующих сепарационных характеристик технологических схем для прогнозирования технических и экономических показателей функционирующих процессов обогащения.

В-пятых, создан программный комплекс, включающий в себя три компонента: графический редактор для проектирования технологических схем обогащения полезных ископаемых с возможностью задания пользователем технических параметров, техническую модель и экономическую модель с целью реализации разработанных имитационной модели технологических процессов обогащения.

Предлагаемые методы, методики, разработанное алгоритмическое и программное обеспечение обеспечивают возможность автоматизированного исследования свойств (в том числе и динамических) процессов, имеющих место в обогащении, а также синтеза имитационных моделей технологических схем, обладающих известными свойствами. Это способствует повышению качества проектирования и эксплуатации технологических процессов, обеспечивает работников обогатительных предприятий надежным инструментом для оценки эффективности предполагаемых реконструкций технологических процессов и обучения персонала работе по управлению процессами. Кроме того, эти методы, методики и реализующие их алгоритмы и программы могут широко использоваться в учебных целях как в процессе подготовки специалистов-обогатителей и системотехников, так и при их переподготовке.