Разработка системы автоматизированного управления процессом Ванюкова

Разработка системы автоматизированного управления процессом Ванюкова

Введение

Одним из наиболее существенных мировых достижений в области металлургии тяжелых цветных металлов является разработка и промышленное освоение различных вариантов автогенных процессов плавки сульфидных концентратов. Под термином "автогенные процессы плавки" здесь и далее подразумеваются все разновидности плавки сульфидных концентратов цветных металлов (во взвешенном состоянии, в циклонных и вихревых камерах, в расплавах). Наиболее общим характерным признаком этих процессов является максимальное использование собственных энергетических ресурсов сульфидного сырья за счет использования тепла экзотермических реакций окисления сульфидов металлов и шлакообразования.

В настоящее время в промышленной эксплуатации находятся многие разновидности автогенных процессов, имеющие принципиальные отличия процесса и агрегата от технологии плавки во взвешенном состоянии [1,2,28]. Крупным результатом работ ученых, научно исследовательских институтов и ИТР заводов явилось промышленное освоение автогенных процессов на Балхашском, Иртышском, Норильском, Средне-уральском, Алмалыкском медеплавильных заводах и на Усть-Каменогорском свинцово- цинковом комбинате.

Освоение двух промышленных комплексов ПЖВ в 1985-1987 годах позволило Балхашскому медеплавильному заводу обеспечить достижение проектной мощности по черновой меди при переработке бедного по меди сырья и показать принципиальные преимущества процесса Ванюкова перед другими вариантами автогенных технологий в металлургии меди.

В настоящее время промышленные агрегаты ПЖВ и процесс Ванюкова устойчиво работают на Балхашском медеплавильном заводе в Казахстане, а так же на Норильском, Средне-Уральском медных заводах в России. Данная технология имеет большие перспективы в цветной и черной металлургии. Принципиальными преимуществами процесса Ванюкова перед другими автогенными способами являются: возможность плавки сырой (8% влаги) и кусковой шихты, высокая удельная производительность, низкий пылевынос, особенности физико-химических процессов в расплаве и работа агрегата в непрерывном режиме с организацией притовотока шлака и штейна.

Управление плавкой в ПВ на БГМК осуществляется в настоящее время мастером смены или оператором, на основе опыта и субъективного анализа показаний контрольно-измерительных приборов (КИП) (давление и расходы в системах воздухо-, кислородо- и газоснабжения, расходы и температура охлаждающих агентов и др.) данные визуальных наблюдений (уровень расплава, температура расплава, состояние системы загрузки и др.), результаты химических анализов, поступающих с большим опозданием и других сведений обслуживающего персонала о состоянии отдельных составляющих технологического процесса, а также на основе предварительных расчетов материального и теплового балансов.

Необходимо отметить, что ни на одной установке ПВ до сих пор не существует системы оптимального управления процессом, что в первую очередь связано очевидно с отсутствием достаточно адекватных математических моделей данного процесса.

Целью данной работы является попытка разработки системы оптимального управления процессом Ванюкова с использованием как традиционных классических математических моделей этого процесса, так и моделей, построенных на основе теории нечетких множеств.

Для достижения этой цели исследований были поставлены следующие исследовательские задачи:

разработать математическое описание процесса плавки в ПВ;

выбрать и описать метод оптимизации;

поставить задачу оптимального управления процессом;

разработать экспертную систему управления процессом плавки в ПВ;

разработать систему стабилизации разряжения в печи.

В случае решения этих задач встают вопросы проектирования системы автоматизированного управления плавкой в ПВ (АСУТП), для чего в соответствии с результатами исследовательского этапа, а также требований ГОСТов на проектирование АСУТП необходимо разработать следующую документацию:

- информационное обеспечение АСУТП;

алгоритмическое и программное обеспечение АСУТП;

организационное обеспечение АСУТП;

техническое обеспечение АСУТП;

расчет экономической эффективности от внедрения АСУТП;

разработка мероприятия по охране труда и технике безопасности.

1. Технология переработки медных концентратов в печи Ванюкова

.1 Анализ автогенных процессов в цветной металлургии

При создании автогенного процесса плавки в жидкой ванне ставилась задача оптимизировать все важнейшие физико-химические процессы с целью удовлетворения требований современной технологии. Плавка руд и концентратов, каким бы методом она ни осуществлялась, это комплекс отдельных процессов. Среди них в случае переработки сульфидных материалов важнейшее значение имеют:

1.   Нагрев шихты и диссоциация химических соединений;

2.       окисление сульфидов, взаимодействие сульфидов и оксидов;

.        расплавление легкоплавких составляющих шихты с образованием первичных расплавов;

.        растворение наиболее тугоплавких компонентов в первичных расплавах;

.        разделение продуктов плавки;

.        распределение ценных компонентов между продуктами плавки.

Скорость и полнота протекания этих процессов зависят от физико-химических свойств компонентов шихты, температуры и интенсивности массо- и теплообмена, а производительность агрегатов в целом определяется временем, затраченным на завершение самой медленной стадии. Поэтому необходимо выявить наиболее медленные из них для ускорения процесса в целом.

Нагрев шихты лимитируется процессами теплопередачи. Очевидно, нагрев крупных кусков шихты из за сравнительно низкой теплопроводности шихтовых материалов протекает относительно медленно. В этом случае прогрев шихты лимитируется теплопроводностью и может быть ускорен лишь уменьшением размеров кусков. Однако возможно ограничение скорости нагрева и мелкодисперсной шихты в том случае, если она уложена толстым слоем как в случае отражательной плавки.

В настоящее время, когда на плавку поступает преимущественно концентрат с малыми размерами частиц (70 мкм и меньше), легко достичь очень высоких скоростей их нагрева. одним из приемов, обеспечивающих высокие скорости нагрева, является распыление шихты в нагретом до высокой температуры газовом пространстве. исключительно быстро протекает нагрев шихты также при загрузке ее в ванну расплава в условиях энергичного барботажа важно отметить, что в автогенных процессах источником тепла служат реакции окисления сульфидов концентрата. тепло выделяется на поверхности реагирующей частицы или в расплаве, т.е. там, где оно расходуется на процессы плавления. По этим причинам в современных автогенных процессах, протекающих во взвешенном состоянии или в расплаве, нагрев шихты осуществляется быстро и не лимитирует производительность плавильных агрегатов.

Реакции окисления сульфидов кислородом являются экзотермическими процессами и протекают на границе раздела фаз. С момента воспламенения окисление (горение) сульфидов идет очень интенсивно и ускоряется с повышением температуры. На это, в частности, указывает и высокий коэффициент использования кислорода (95-100%) во всех автогенных процессах при очень малом времени контакта кислорода с сульфидами.

Обширные данные, известные из литературы и практики, подтверждают, что собственно химический акт процесса окисления сульфидов нужно стремиться не столько к достижению повышения скоростей окисления, сколько к высоким показателям процесса в целом. Получению газов, богатых по содержанию SO2, высокой степени использования теплоты сгорания сульфидов и к минимальным потерям металлов с отвальным шлаком.

Целью плавки любого типа является перевод всей перерабатываемой шихты в расплавленное и газообразное состояние с получением штейна или чернового металла, возгонов и шлака и их разделением.

Значительные различия физико-химических свойств химических соединений, составляющих шихту и, в первую очередь, температуры их плавления приводят к постепенному формированию расплава. Сначала образуется первичный расплав из наиболее легкоплавких компонентов, а затем происходит растворение в них более тугоплавких веществ. Следовательно, процессы штейно- и шлакообразования протекают в две стадии: расплавление легкоплавких составляющих шихты и растворение более тугоплавких веществ в этих расплавах.

Из числа присутствующих в сульфидных шихтах химических соединений наиболее легкоплавкими являются сульфиды (за исключением ZnS). При этом их эвтектические смеси по сравнению с отдельными сульфидами имеют еще меньшие температуры плавления. Поэтому процессы штейнообразования начинаются раньше процессов шлакообразования и идут с большими скоростями.

Шлакообразование начинается позднее и происходит медленнее потому, что для большинства оксидов шихты температура плавления выше, чем температура в печи. При ограниченных температурах в плавильных агрегатах особо важное значение приобретают процессы растворения тугоплавких оксидов в первичных шлаковых расплавах.

Процессы растворения являются диффузионными и поэтому протекают значительно медленнее процессов расплавления легкоплавких компонентов. Образование шлаков в металлургических печах начинается, как правило, с получения оксидно-сульфидных эвтектик или более сложных многокомпонентных легкоплавких композиций. В дальнейшем в них растворяются более тугоплавкие оксиды и, в первую очередь, кремнезем, вводимый обычно в шихту в виде кварцевого флюса.

Эксперименты показывают, что принудительное перемешивание расплава вызывает резкое ускорение процесса растворения тугоплавких составляющих шихты.

Наиболее медленным этапом плавки, даже для современных процессов, у которых время завершения других стадий мало, является коалесценция сульфидных капель и разделение штейна и шлака. Значительная часть меди и никеля находится в шлаках в виде эмульсии - мелких капель штейна. При восстановлении или сульфидировании металлов в шлаковом расплаве обычно образуется дополнительное количество капель металлсодержащей фазы, отстаивание которых происходит крайне медленно и не успевает завершиться за приемлемое с практической точки зрения время. Поэтому необходимо обеспечить принудительное укрупнение штейновых или металлических частиц.

Можно однозначно утверждать, что именно медленное укрупнение мелкой штейновой (металлической) взвеси и ее отделение от шлака являются одним из самых медленных этапов плавки в целом. Наиболее эффективным приемом ускорения коалесценции штейновой взвеси является перемешивание шлака с получающимся при плавлении штейном. Известно, что даже загрузка сульфидов на поверхность шлаковой ванны и однократная промывка шлака каплями штейна заметно обедняют шлак.

Сочетание процессов восстановления и перемешивания шлака со штейном позволяет резко интенсифицировать укрупнение штейновых частиц и разделение фаз. Доказано, что крупность частиц при этом возрастает настолько, что для разделения штейна и шлака требуется менее 1 ч вместо 8-12 ч.

Правильная организация процесса разделения фаз создает предпосылки для резкой интенсификации работы плавильных агрегатов и повышения их удельной производительности.

Анализ переработки сульфидного сырья на штейн позволил выявить роль и взаимосвязь последовательных элементарных стадий физико-химических превращений и установить, что оптимизация технологии плавки требует определенного сочетания следующих условий:

создание условий для высокой степени использования кислорода газовой фазы в локальной зоне металлургического реактора, отделенной от конечных продуктов плавления;

обеспечение высокой скорости массообменных процессов в системе исходные твердые компоненты- конечные расплавы;

создание условий для достижения заданного приближения к равновесию между конечными продуктами плавки;

ускорение укрупнения диспергированного штейна или металла и обеспечение полноты разделения продуктов плавки.

Результаты научных разработок позволили сформулировать основной принцип новой технологии: плавление сырья и массообмен осуществляются в турбулентно перемешиваемой ванне эмульсии штейна (металла) в шлаке. Перемешивание расплава при барботаже его технологическими газами, образующимися при подаче дутья в расплав через боковые фурмы, обеспечивает требуемую степень турбулизации для ускорения металлургических превращений в зоне расплава выше уровня фурм. При этом обеспечивается коалесценция мелких штейновых капель и формирование составов фаз, близких к конечным. Расслаивание штейна и шлака организовано в прямоточном потоке вертикально движущихся расплавов. Это обеспечило совмещение в одном агрегате для непрерывного процесса реакционной зоны с высокой степенью турбулентностью движения барботируемого расплава и зоны с ламинарным движением расплава, необходимой для организации разделения и отдельного выпуска шлака и штейна (металла).

1.2 Технологический процесс Ванюкова

Научно обоснованная оптимизация организации физико-химических процессов и движения расплава позволила создать новую технологию - плавку в жидкой ванне.

Сущность технологического процесса в жидкой ванне заключается в следующем. Кислородсодержащий газ вводится вод избыточным давлением около 0,1МПа в расплав через фурмы в стенах печи на уровне примерно 0,3-0,7 м ниже уровня расплава в спокойном состоянии внутри шахты печи.

Общая глубина ванны расплава в печи без барботажа 2,0-2,5 м. Кислородсодержащий газ дутья, барботируя верхнюю часть расплава энергично перемешивает его и создает газонасыщенный слой гетерогенного расплава, состоящего в основном из шлака с включениями до 10% (вес.) сульфидов в виде капелек штейна и при недостатке тепла - угля или кокса. Высота барботируемого газонасыщенного расплава увеличивается на величину, равную 2-2-х кратному расстоянию от оси фур до уровня расплава в спокойном состоянии. Кислородсодержащий газ взаимодействует, в первую очередь, с сульфидом железа, серой и углем и генерирует тепло, необходимое для плавления загружаемой шихты и нагрева расплава именно в зоне технологического процесса равномерно во всем верхнем слое.

Благодаря интенсивному перемешиванию капельки сульфидной фазы, образуемые из загруженных частиц сырья, соударяются и сливаются, достигая гидродинамически устойчивого размера 0,5-5 мм, достаточного для выпадения их из верхнего барботируемого слоя и быстрого опускания в донную фазу.

Шихта, состоящая из флотационного концентрата или кусковой руды с флюсом и, если необходимо, с кусковым углем, вводится сверху в барботируемый слой; вследствие высокой энергии перемешивания она равномерно распределяется по всему его объему.

Расплавленные сульфиды шихты вследствие высокой активности серы и железа интенсивно взаимодействуют со шлаком и кислородом дутья, поддерживают низкое содержание магнетита в шлаке. Это способствует получению шлаков, бедных по цветным металлам. В условиях активного перемешивания происходит быстрое растворение кварца и других тугоплавких компонентов шихты, и поэтому во всем объеме расплава постоянно поддерживается оптимальный состав шлака, обеспечивающий минимальные потери цветных металлов. Наличие в расплаве пузырьков барботируещего газа способствует быстрой и полной (в соответствии с величиной равновесного давления пара) возгонке летучих компонентов.

Расположение переточного канала для вывода шлака из шахты на 1 м ниже уровня фурм привело к тому, что весь образующийся в верхнем барботируемом слое шлак постепенно движется сверху вниз, проходя свой путь в течение 1,5-3,0 часов. При этом он непрерывно промывается дождем крупных капель штейна, выпадающих из верхнего перемешиваемого слоя. Ниже фурм движущийся поток шлака уже не перемешивается и в нем можно создавать соответствующие градиенты температуры, состава и других параметров, способствующие обеднению шлака. Благодаря такой организации его движения исключена возможность проскока и быстрого выхода из печи непроработанного шлака с повышенным содержанием цветных металлов. Сульфидная донная фаза, образующаяся на дне печи из опускающихся капель, отдельно от шлака выводится из плавильного агрегата.

Печь Ванюкова представляет собой прямоугольную шахту шириной 2,0-2,5 м, длиной 10 и высотой 6 м. В боковых продольных стенах печи на высоте 1,60-2,5 м от подины водоохлаждаемые фурмы для подачи дутья, а если необходимо и углеродистого топлива (природного газа, мазута или пылеугля). Экспериментально установлено, что ни один из известных огнеупоров не способен длительное время противостоять воздействию нагретого до 1500-1600 К шлака при энергичном его перемешивании.

Для надежного ограждения расплава потребовалось смонтировать боковые и торцевые стены шахты из массивных охлаждаемых водой медных кессонов, расположенных в зоне перемешивания шлака от уровня около 1 м ниже оси фурм, до уровня 3,5 м выше оси фурм. Горн шахты печи ниже кессонированного пояса выполнен из огнеупорного кирпича. В торцевых стенах горна созданы два переточных канала для вывода из него шлака и штейна. Снаружи к шахте печи у переточных каналов герметично примыкают емкости, сообщающиеся через них с внутренним пространством шахты, называемые шлаковым и штейновым сифонами. В стенах этих сифонов предусмотрены щелевидные окна, положение порога которых определяется соответствующим уровнем слива шлака и штейна.

Схема печи Ванюкова: 1 - шихта; 2 - дутье; 3 - штейн; 4 - шлак; 5 газы; 6 - кладка печи; 7 - медные литые кессоны; 8 - фурмы; 9 загрузочная воронка; 10 - аптейк; 11 - штейновый сифон; 12 шлаковый сифон

1.3 Физико-химичекие основы процесса Ванюкова

Плавка в жидкой ванне представляет собой принципиально новый класс, эмульсионных процессов осуществляемых в энергично барботируемых шлаковых ваннах.

Ванюковым А.В. впервые были обоснованы преимущества вертикального движения эмульсии в нижней подфурменной зоне при ее расслаивании в прямоточном потоке расплава. Это позволило совместить в одном агрегате реакционную зону с движением расплава.

В условиях плавки в жидкой ванне создаются благоприятные условия для осуществления плавки как сульфидного, так и окисленного сырья, а также возгоночных процессов.

Основное достоинство возгонки барботажных процессов это большая реакционная способность контактирующих фаз (шлака, штейна, газа) из-за развитой поверхности, что обеспечивает высокие скорости массообмена, теплообмена и всех химических и физических процессов.

1.2.1 Процессы надфурменной зоны

Барботаж и энергичное непрерывное перемешивание шлако-

штейнового расплава в надфурменной зоне определяет большую скорость тепло и массообмена, что позволяет избежать его местного перегрева или переохлаждения, а также переокисления шлака.

В ванне расплава протекают следующие реакции:

Низшие сульфиды расплавляются и образуют капельки штейна.

Окисленные компоненты шихты растворяются в шлаке:

Вместе с тем, наличие в надфурменной зоне сульфида железа приводит к протеканию реакции:

Возможно также восстановление до магнетита

Однако и здесь наличие сульфидов железа, элементарной серы приводит к восстановлению магнетита:

Тепло от окисления сульфидов полностью выделяется в надфурменной зоне, т.е. там, где оно потребляется и необходимо для нагрева и плавления шихты.

Если тепла недостает, то его восполняют за счет ввода углеродистого топлива непосредственно в ванну расплава.

Для того, чтобы обеспечить возможность более полного восстановления магнетита необходимо достаточное время контакта его с сульфидами. Увеличение высоты ванны ведет к снижению содержания магнетита.

Другая важная функция надфурменной зоны - укрупнение мелких сульфидных частиц с образованием до крупных капель штейна, что достигается за счет энергичного барботажа в ванной. Важной особенностью тепловой работы печи является то, дутье подается в слой шлака с малым содержанием частиц штейна. Вследствие этого на огневой стороне, пояса печи и фурм образуется гарнисаж, а все тепло распространяется внутрь печи равномерно быстро, что позволяет неограниченно обогащать дутье кислородом а, следовательно, и штейн по меди вплоть до чернового металла.

1.2.2 Процессы подфурменной зоны

Шлак постепенно из надфурменной зоны перемещается в подфурменную зону. За время прохождения шлак успевает промываться крупными каплями, образующегося штейна.

Второй важный процесс - восстановление оставшегося магнетита сульфидами штейна. При этом в подфурменной зоне шлак изолирован от воздействия кислорода воздуха и образование нового магнетита не происходит. Малое содержание магнетита приводит к снижению содержания растворенной меди, увеличению межфазного натяжения и снижению вязкости шлака. Нижний перепуск шлака из плавильной зоны в электротермическую зону исключает потери меди и других металлов с плавильной шихтой и компонентами штейна, удерживаемыми на поверхности сплава поверхностью натяжения, т.е. исключающие явления, влияющие на потери меди со шлаком.

1.3 Выбор и обоснование исходных данных для металлургических расчетов

На основании практики работы предприятия для последующих расчетов принимаем химический состав исходных концентратов и флюсов, представленных в таблице 1.0

Таблица 1.0 Исходные данные расчетов

Производство по влажному концентрату		т/час	80
Состав концентрата		%
	Cu		17
	Fe		28
	S		36
	SiO2		5
	CaO		3
	MgO		0
	Al2O3		0
	Zn		6
	Pb		2
Влажность			5
Обогащение дутья			85
Содержание меди в штейне			45
Извлечение меди в штейн			97
Выход в штейн
	Pb		20
	Zn		35
Выход в газ
	Pb		22
	Zn		12
Состав кварцевого флюса
	Si02		70
	Влажн.		6
Состав шлака
	Si02		33
	Ca0		6
Подача конверторного шлака		Т/час	10
Температура конверторного шлака		C	1200
Температура продуктов		C	1250
Состав топлива		%
	CH4		0
	C		95
	Влажн.		6
Тепло сгорания природного газа		кДж/м3	0

% концентрата меди в виде халькопирита. Извлечение Cu из конверторного шлака - 80%. Состав конверторного шлака : Cu - 3%, Fe - 52%, SiO2 - 24%/

Содержание прочих в штейне - 1%.

Содержание O2 в техническом кислороде 96% (остальное N2)

Концентрация магнетита в конверторном шлаке - 30%.

Дополним систему еще одним уравнением:

Таблица 1.1 - Рациональный состав концентрата

	CuFeS2	CuS	Cu2S	FeS2	ZnS	PbS	CaCO3	MgCO3	SiO2	Al2O3	Проч.	Всего
Cu	14,45	0,13	2,41	-	-	-	-	-	-	-	-	17
Fe	12,71	-	-	15,29	-	-	-	-	-	-	-	28
S	14,56	0,07	0,61	17,52	2,94	0,31	-	-	-	-	-	36
Zn	-	-	-	-	6	-	-	-	-	-	-	6
Pb	-	-	-	-	-	2	-	-	-	-	-	2
SiO2	-	-	-	-	-	-	-	-	5	-	-	5
CaO	-	-	-	-	-	-	3	-	-	-	-	3
CO2	-	-	-	-	-	-	2,35	-	-	-	-	2,35
Проч.	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,65	0,65
Всего	41,72	0,2	3,02	32,81	8,94	2,31	5,35	-	5	-	0,65	100

Исходные данные:

Cu - 3%

Fe - 52%

SiO2 - 24%

Fe3O4 - 30%

Расчет состава и количества штейна

Таблица 1.2 - Состав шлака

Компонент	Кг	%
SiO2	3,16	24
Cu	0,39	3
Fe	6,84	52
O	2,28	17,32
Прочие	0,48	3,68	13,16	100

Примем извлечение Cu в штейн

Извлечение Cu из конвертерного шлака - 80%

Извлечение Cu в штейн из концентрата - 97%

Cодержание Cu в штейне - 45%.

Содержание S в штейне - 25%

Таблица 1.3 - Состав штейна

Компонент	Кг	%
Cu	16,8	45
Fe	7,28	19,51
S	9,33	25
Pb	0,4	1,07
Zn	2,1	5,62
O	1,04	2,8
Прочие	0,37	1
Всего	37,33	100

Расчет самоплавкого шлака

При:

Таблица 1.4 - Состав самоплавкого шлака

Компонент	Кг	%	Норма, %
Si02	8,16	15,35	33
Fe	27,56	51,83
Pb	1,16	2,18
Zn	3,18	5,98
CaO	3	5,64	6
O	8,76	16,47
Cu	0,59	1,11
Прочие	0,76	1,43
Всего	53,17	100

Балансовое уравнение по кремнезему

Балансовое уравнение по кальцию

Примем:

Cостав флюса

1) SiO2-70% 2) СaO - 56%

Прочие - 30% Прочие - 0,08%

W=6 W=0

Таблица 1.5 - Рациональный состав шлака

Компонент	Кг	%
SiO2	27,05	33
Fe	27,56	32,63
Pb	1,16	1,41
Zn	3,18	3,88
CaO	4.92	6
Cu	0,59	0,07
O	8,76	10,69
Прочие	8,85	10,80
Всего	81,96	100

W=6

Расчет необходимого количества дутья

FeS + 3/2O2 = FeO + SO2

1/2S2 + O2 = SO2+ 3/2O2 = PbO + SO2 + 3/2O2 = ZnO + SO2

Таблица 1.6 - Состав отходящих газов печи Ванюкова

Компонент	Кг	Нм3	%
SO2	53,34	18,67	55,17
N2	5,27	4,22	12,47
H2O	6,98	8,69	25,68
CO2	3,85	1,96	5,79
Pb	0,44	0,05	0,15
Zn	0,72	0,25	0,74
Итого	70,6	33,84	100

Таблица 1.7 - Материальный баланс плавки в печи Ванюкова

Материал	Кол-во	Cu	Fe	S	SiO2	O2	CaO	N2	H2O	CO2	Pb	Zn
Загружено
1. К-т	105,26	17	28	36	5		3		5,26	2,35	2	6
2. Кварц	28,70				18.89				1.72
3. Изв-к	3.42						1.92			1.5
4. Кон.шл.	13.16	0,39	6,84		3,16	2,28
5. Воздух	5.30					1.24		4.06
6. Кисл.Д.	34.16					32.96		1.20
Всего	190	17,39	34,84	36	27.05	36.48	4.92	5.26	6.98	3.85	2	6
Получено
1. Штейн	37,33	16,80	7.28	9.33		1.04					0,4	2,1
2. Шлак	81,96	0,59	27,56		27.05	8.76	4.92				1,16	3,18
3. Газы	70.6			26.67		26.67		5.26	6.98	3.85	0,44	0,72
Всего	190	17.39	34.84	36	27.05	36.48	4.92	5.26	6.98	3.85	2	6

Расчет тепла

Расчет прихода тепла

1. Тепло концентрата

. Тепло экзотермических реакций, ккал

FeS + 3/2O2 = FeO + SO2 + 11025 (1)

1/2S2 + O2 = SO2 +70900 (2)+ 3/2O2 = SO2 + ZnO +105560 (3)+ 3/2O2 = SO2 + PbO +99760 (4)

FeO + SiO2 = (FeO)2 ∙ SiO2 + 22200 (5)+ SiO2 = CaO∙SiO2 +21500 (6)

Тепло реакции (1)

Тепло реакции (2)

2CuFeS2 = Cu2S + 2FeS + 1/2S2= FeS +1/2S2

CuS = Cu2S + 1/2S2

Тепло реакции (3)

Тепло реакции (4)

Тепло реакции (5)

Тепло реакции (6)

Расчет расхода тепла

Тепло теряемое со штейном

На нагрев от 25 до 100 C

Эндотермические реакции ккал

CuFeS2 à 2Cu2S + 4FeS + S2 - 78600 (1)

2FeS2 à 2FeS + S2 - 64600 (2)à ½Cu2S + ¼ S2 - 10675 (3)à CaO + CO2 - 42500 (4)

Тепло эндотермических реакций

Потери тепла

Примем потери равными 15% от 65332,87кДж

Расчет необходимого количества дутья

На 1 кг угля.

Таблица 1.8 - Состав угля

С = 95 %	0,893
Проч = 5 %	0,047
W = 6%	0,06
Итого	1 кг

С + O2 = CO2 + 393701,67кДж

Таблица 1.8 - Окончательный состав отходящих газов

Компонент	Кг	Нм3	%
SO2	53,34	18.67	53.83
CO2	5.01	2.55	7.35
N2	5.52	4.42	12.74
H2O	7.02	8.74	25.20
Pb	0.44	0.05	0.14
Zn	0.72	0.25	0.72
Всего	72.05	34.68	100

Таблица 1.9 - Тепловой баланс плавки в печи Ванюкова

Приход тепла	кДж	%	Расход	кДж	%
Горение топлива	20332,78	5,10	Тепло шлака	126083,58	31,94	19418,44	4.87	Тепло штейна	43070,08	10,91
Реакции окисления	332896,63	83.85	Тепло отходящих газов	83129,61	21,06
Реакции шлакообразования	25927,33	6.51	Испарение влаги	17939,96	4,54
			Эндотермические реакции	65332,87	16,55
			Потери	59215,79	15,00
Всего	398575,18*	100	Всего	394771,9*	100

2. Разработка системы управления ПРОЦЕССОМ плавки вАНЮКОВА

.1 Характеристика процесса Ванюкова как объекта управления

Объект управления - промышленная установка ПЖВ. Промышленная установка Ванюкова БГМК представляет собой двухзонную кессонированную печь с непрерывной сводовой загрузкой в зону плавления, боковым дутьем в расплав и непрерывным выводом продуктов плавки из реакционной зоны.

Шихта составляется заранее на всю кампанию по расчетам режима плавки и данными о составе перерабатываемых материалов. Попадая в расплав шихта нагревается, растворяется, высшие сульфиды шихты диссоциируют, образуя простейшие сульфидные соединения и элементарную серу. Продукты диссоциации взаимодействуют с кислородом дутья, барботирующего расплав, в результате чего образуются штейн, шлак и богатые по сернистому ангедриду газы. Штейно-шлаковая эмульсия, опускаясь вниз, постепенно расслаивается, штейн образует сплошную данную фазу, а шлак через сифон попадает в восстановительную зону, после чего через второй сифон перетекает в шлаковый электроотстойник. Периодически, по мере накопления, штейн выпускают из печи в ковш и разливают в изложницы, предварительно взвесив.

Шлак из электроотстойника также выпускают в ковш и разливают в изложницы. После затвердевания продукты плавки вывозят из цеха.

Восстановительная зона по конструкции аналогична плавильной и служит для изучения режимов переработки руд, содержащих цинк и свинец, в других случаях она используется в качестве поточной емкости.

Печные газы выводятся из каждой зоны по газоходам и направляются в систему, состоящую из циклонного фильтра, скруббера, камер дожигания СО и охлаждения, и поступают либо в дымоход, либо в систему получения элементарной серы.

Из характеристики процесса переработки материалов в печи ПЖВ на БГМК можно заключить, что объект управления представляет собой технологический процесс со сложной взаимосвязью характеризующих его параметров. Среди особенностей печи ПЖВ БГМК следует выделить:

малую инерционность объекта по каналу: дутье - температура расплава и отходящих газов и относительно большую по каналу: дутье, состав входных продуктов - состав штейна и шлака;

- объект можно отнести к классу непрерывных (непрерывная подача шихты, дутья, непрерывность основных преобразований (нагревание, плавление, окисление, восстановление материалов, массо- и теплообмен) и непрерывный выпуск шлака и периодический - штейна, непрерывный отсос отходящих газов);

многомерность технологического процесса, характеризующегося большим количеством входных и выходных переменных;

нестационарность параметров процесса в следствии колебаний значений входных переменных, из за недостаточного усреднения шихты;

неполноту информации (наличие периодически контролируемых параметров, а также запаздываний как на самом объекте, так и в каналах измерения, значительный уровень помех в последнем и т.д.);

узкий рабочий диапазон температуры расплава в плавильной зоне;

процессы переработки различных видов сырья, исследуемых на установке ПЖВ, имеют существенные отличия в характере протекания физико-химических явлений.

Среди прочих характеристик объекта управления, необходимо выделить то, что объект работает периодически - несколько кампаний испытаний в год по 7-10 суток.

медеплавильный ванюков автогенный система

2.2 Анализ современного состояния автоматизации процесса в ПВ

Постановка цели и задач исследования и проектирования АСУТП

Управление плавкой в ПВ на БГМК осуществляется в настоящее время мастером смены или оператором, на основе опыта и субъективного анализа показаний контрольно-измерительных приборов (КИП) (давление и расходы в системах воздухо-, кислородо- и газоснабжения, расходы и температура охлаждающих агентов и др.) данные визуальных наблюдений (уровень расплава, температура расплава, состояние системы загрузки и др.), результаты химических анализов, поступающих с большим опозданием и других сведений обслуживающего персонала о состоянии отдельных составляющих технологического процесса, а также на основе предварительных расчетов материального и теплового балансов.

Имеются системы автоматического контроля некоторых переменных , как температура в отстойнике, раствора и газа в газоходе на выходе из скруббера и в других точках газохода, давления отходящих газов из печи в различных точках газохода, контроль влажности загружаемых веществ, измерение концентрации кислорода, подаваемого с дутьем, и концентрации SO2 на выходе из печи, а также системы стабилизации важнейших режимных параметров процесса регулирования разряжения в печи, регулирования количества отходящих газов в различных точках газоходной сети, регулирования расхода.

Необходимо отметить, что ни на одной установке ПВ до сих пор не существует системы оптимального управления процессом, что в первую очередь связано очевидно с отсутствием достаточно адекватных математических моделей данного процесса.

Нами для реализации идеи оптимального управления предлагается структура системы управления процессом, включающей имеющиеся системы автоматической стабилизации входных (подсистема стабилизации входных переменных) и выходных переменных с обратными связями (подсистема стабилизации манометрического режима) с добавлением к ним подсистем оптимального управления и интеллектуальной подсистемы (см. рисунок 3).

При этом подсистема оптимального управления на основе данных о химсоставе исходной шихты с помощью математической модели и одного из методов поиска экстремума некоторой целевой функции Fц рассчитывает оптимальные значения переменных Х1* - Х6*.

Рис. 3. Структура системы управления процессом плавки в ПВ Х1 - скорость загрузки концентрата; Х2 = Х6/Х1 - соотношение «дутье-загрузка»; Х3 - обогащение дутья кислородом; Х4 - влажность концентрата; Х5 - разность температур воды на входе и выходе; Х6 - расход дутья; Y - уточненная скорость загрузки концентрата; N - число оборотов газодувки; Р разряжение под сводом ПВ.

В приведенной структуре предполагается использовать интеллектуальную подсистему, которая на основе полученной от подсистемы оптимизации данных Х1, Х2 и Х3, а также входных переменных Х4 и Х5 рассчитывает уточненное значение скорости загрузки концентрата. Это связано с тем, что в случае, если классические методы построения математических моделей окажутся недостаточными для адекватного описания данного процесса необходимо задействовать современный математический аппарат теории нечетких множеств. Этот инструмент позволяет математически описывать не сам процесс, а строить модель управления им на основе знания, опыта и интуиции технологов-металлургов. Скорость загрузки концентрата является определяющей для всего процесса плавки, поэтому для ее расчета необходимо использовать знания, опыт и интуицию металлургов.

Целью данной работы является разработка системы оптимального управления процессом Ванюкова с использованием как традиционных классических математических моделей этого процесса, так и моделей, построенных на основе теории нечетких множеств.

Для достижения поставленной цели необходимо поставить и решить ряд задач, носящих исследовательский характер и задач, связанных с проектированием АСУТП.

Перечень исследовательских задач в основном связан с вопросами математического моделирования процесса ПВ с описанием как кинетики процесса, так и его гидродинамики. С учетом сложности процесса ПВ необходимо провести глубокий анализ современного состояния его математического моделирования, на основе которого разработать свою версию модели, а также построить модель управления процессом с использованием теории нечетких множеств.

С учетом этих обстоятельств для достижения сформулированной выше цели исследований были поставлены следующие исследовательские задачи:

разработать математическое описание процесса плавки в ПВ;

выбрать и описать метод оптимизации;

поставить задачу оптимального управления процессом;

разработать экспертную систему управления процессом плавки в ПВ;

рассчитать оптимальные параметры регулятора подсистемы стабилизации разряжения в печи.

В случае решения этих задач встают вопросы проектирования системы автоматизированного управления плавкой в ПВ (АСУТП), для чего в соответствии с результатами исследовательского этапа, а также требований ГОСТов на проектирование АСУТП необходимо разработать следующую документацию:

- информационное обеспечение АСУТП;

алгоритмическое и программное обеспечение АСУТП;

организационное обеспечение АСУТП;

техническое обеспечение АСУТП;

расчет экономической эффективности от внедрения АСУТП;

разработка мероприятия по охране труда и технике безопасности.

Ниже описаны постановка и решение задач исследования по разработке системы оптимального управления процессом ПВ, а также предложена проектная документация на создание автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП).

2.3 Разработка математического описания процесса плавки в ПВ

Различные методы математического описания технологических процессов широко применяются в металлургии для выбора оптимальных параметров их промышленного осуществления, прогноза ожидаемых технико-экономических показателей и оперативного управления процессом. При этом расчетные модели разрабатываются для конкретного металлургического аппарата, в конструкции которого учтены специфические особенности технологического процесса. Вместе с тем результаты модельных исследований позволяют вполне обоснованно оценить правильность принятых конструктивных решений и в случае необходимости внести соответствующие изменения.

В процессе Ванюкова высокие скорости сжигания горючих компонентов исходных материалов и формирование металлсодержащей, шлаковой и газообразной фаз конечных составов обеспечиваются интенсивным барботажем шлаковой ванны с образованием развитых межфазных поверхностей: газ - жидкость, твердое - жидкость, жидкость -жидкость. Выделение целевого металлсодержащего продукта с максимальным извлечением в него ценных компонентов связано с полнотой последующего разделения эмульсии жидкость-жидкость на две самостоятельные фазы с минимальной поверхностью раздела. Достижение желаемой полноты отделения одной жидкости от другой осуществляется путем изменения режима перемешивания ванны расплава с турбулентного (в фурменной зоне печи) на ламинарное (в подфурменной зоне) и создания условий для протекания процессов отстаивания. Универсальность процесса Ванюкова дает основание рассматривать гидродинамическое моделирование ванны расплава в рабочем объеме печи как одно из направлений в совершенствовании существующих и создании новых технологий.

Постоянно сокращающаяся рудная база Балхашского медьзавода приводит к ухудшению качества перерабатываемого в ПВ сырья, что требует постоянной корректировки режимов ведения плавки, что весьма затруднительно без применения современных математических методов и моделей.

Кроме того, необходимость оптимального оперативного управления процессов плавки концентратов в печи ПВ также требует создания динамических математических моделей, описывающих гидродинамику, тепло- и массообмен и кинетику химических превращений.

2.3.1 Анализ исследований в области создания математического описания процессов в ПВ

Многолетние исследования процессов, протекающих при плавке в жидкой ванне, достаточно активно проводились как в бывшем СССР, так и за рубежом. В России и Казахстане исследования, посвященные этой технологии продолжались и в последующие годы. Однако вопросы создания математического описания физико-химических явлений, протекающих при плавке в жидкой ванне, значительно отстают от исследований методами лабораторных и натурных испытаний технологии, что связано со значительной сложностью данной технологии.

Если в период с 1980 до конца 90-х годов велись довольно активные исследования в области математического моделирования автогенных пирометаллургических процессов вообще, и процесса в ПВ в частности /1-30/, то после 2000 года количество публикаций на эту тему значительно снизилось.

В работе /19/ описаны принципы построения математических моделей для описания металлургических процессов. Показано, что путь создания удовлетворительной модели является ступенчатым процессом - от простого к сложному. Во многих случаях модели строятся на учете массо- и энергопотоков. Данные, полученные при моделировании, необходимо сравнить с результатами опытных испытаний. В качестве примера рассмотрен процесс конвертирования меди, которая основывается на термодинамическом равновесии в системе штейн-шлак-газ, с учетом кинетики химических реакций.

В /20/ приводится анализ развития и использования математических моделей некоторых металлургических переделов для разработки новых процессов. Рассмотрена общая концепция исследований металлургических объектов, включающих в себя как численное, так и физическое моделирование. Показано, что численное моделирование существенно облегчает поиск оптимальных режимов существующих и разработку новых металлургических технологий. С другой стороны, совершенствование аппаратного и программного обеспечения ЭВМ не компенсирует недостаточное понимание физико-химической сущности моделируемых процессов и отсутствие достоверных знаний о свойствах материалов.

В работе /21/ проведен обзор, посвященный вычислительной гидродинамики и перспективам ее развития. Подчеркивается важность конструирования алгоритмов и моделей вычислительной гидродинамики, максимально использующих возможности параллельных вычислений. Возрастание трудоемкости конструирования программ приводит к выводу о потенциальной важности программ типа искусственног интеллекта для проектирования, написания и отладки программ вычислительной гидродинамики.

Разработке математической модели теплообмена в энергетическом комплексе для плавки в жидкой ванне посвящена работа /22/. Для расчета теплообмена в энергетическом комплексе созданы 2 зональные модели: модель надслоевого пространства печи ПВ и модель котла-утилизатора. Математическая модель включает системы уравнений теплового баланса и теплообмена в расчетных зонах и уравнение, связывающее элементы комплекса. Установлено, что самые высокие температуры в надслоевом пространстве наблюдаются в зонах , прилежащих к расплаву в центральной части печи под аптейком. В периферийных зонах температурное поле в области аптейка симметрично относительно его оси.

Одной из значительных работ, посвященной данной теме, была работа Спесивцева А.В., опубликованная в 2000 году - «Разработка методов исследования и управления пирометаллургиическими процессами цветной металлургии». В этой работе автор, используя современные методы математического моделирования, в том числе и в нечеткой среде, получил следующие результаты:

сформулирована комплексная проблема исследований кинетики пирометаллургических процессов и показаны пути увязки лабораторных исследований с промышленными на базе идей формальной кинетики. Дан общий алгоритм проведения и интерпретации результатов исследований;

получена замкнутая система дифференциальных уравнений конвективного массообмена и численно решена для условий промышленных агрегатов различной геометрии, основанных на взаимодействии газовых струй с расплавами;

выявлена проблематика современного состояния информационной среды по промышленным данным металлургических процессов и показано, что по сути своей она преимущественно является нечеткой. Показана необходимость применения теории нечетких множеств к описанию изучаемых явлений и построению управляющих моделей па их основе;

предложен принципиально новый подход к получению и обработке информации о состоянии пирометаллургических процессов, разработана методика и методология формализации экспертной информации при логико-лингвистическом описании сложных систем. Изложены методология применения разработанных управляющих моделей и создан алгоритм интерпретации результатов на концептуальной основе;

разработан метод графо - аналитического изучения кинетики компонент расплава промышленных агрегатов, основанный на методах формальной кинетики;

разработаны методология изучения условий протекания реакций по ходу процесса как синтез теории нечетких множеств и графо-аналитического метода.

Однако ни в этой работе, ни в других исследованиях так и не была получена замкнутая математическая модель, системно описывающая все процессы протекающие при плавке в жидкой ванне.

В работе /18/ приведены расчеты по математическому описанию поведения дисперсной фазы в ванне расплава печи Ванюкова ПВ-1 Норильского горно-металлургического комбината (НГМК) (площадь сечения в плоскости фурм 20 м2) выполнены по специально разработанной программе, реализованной на ПЭВМ с использованием электронных таблиц EXCEL, для различных составов штейнов и шлаков, обогащения дутья кислородом, расходов дутья, количества дополнительного топлива на плавку, производительности печи по шихте и температуры. Блок-схема программы расчета объемной доли дисперсной фазы приведена на рисунке 3.

Для полуавтогенных режимов плавки результаты расчетов по этому варианту численно совпадают с расчетными данными при параметрическом введении температуры в программу. Объемная доля дисперсной штейновой фазы характеризует как величину межфазной поверхности контакта штейна и шлака в эмульсии, так и условия их расслаивания - удерживающую способность аппарата по дисперсной штейновой фазе. Поддержание определенной величины объемной доли штейна в эмульсии (не менее 0,03) или ее увеличение обеспечивают протекание химических взаимодействий в системе. Вместе с тем разделение эмульсии с увеличением объемной доли штейна в ней осложняется и в предельном случае происходить не будет. Поскольку объемная доля штейна в эмульсии является величиной, зависящей от многих факторов, представляется важным оценить возможности печи Ванюкова по удельной производительности с точки зрения гидродинамических условий расслаивания. Выполненными модельными расчетами для автогенного режима плавки показано, что производительность ПВ-1 НГМК по шихте -150 т/ч (~180т/(м2-сут)) является предельной для следующих технологичес-ких параметров ведения процесса: содержания меди в штейне - 40 %, SiО2 в шлаке - 26 %, кислорода в дутье - 65 %, температура в рабочем объеме печи 1292°С. При этих условиях практически не будет происходить расслаивание эмульсии в фурменной зоне печи, т.е. наступает «захлебывание» аппарата по дисперсной штейновой фазе. Таким образом, варьируя технологическими параметрами, можно в значительной мере улучшить условия расслаивания эмульсии в фурменной зоне печи.

Рис.3. Блок-схема расчета объемной доли штейна в эмульсии при плавке в печи Ванюкова

Анализ публикаций /1, 2, 18-30/ показал, что наиболее близко подошли к созданию математической модели процессов в ПВ авторы работ /1/ и /2/. При этом, были разработаны структура модели, описывающие гидродинамику и кинетику химических реакций в надфурменной зоне, но ее идентификация и реализация на ЭВМ так и не были завершены /1/. Были разработаны также статические модели, позволяющие проследить поведение дисперсной фазы по мере движения расплава вниз от уровня фурм /2/.

Рассмотрим более подробно результаты в области моделирования процессов, протекающих в печи Ванюкова, полученные в работах /1/, /2/.

2.3.2 Описание математической модели кинетики химических реакций

Математическая модель надфурменной зоны /1/. При управлении процессом плавки Ванюкова одной из основных задач является выбор и реализация оптимальных технологических режимов, ввиду сложности которой предпочтительнее использовать для ее решения методы математического моделирования, которые были рассмотрены в работе /1/.

Анализ физико-химических особенностей процесса ППВ /3,4/ показал, что технологическая эффективность агрегата обусловлена характером и интенсивностью протекания массо- и теплообменных процессов, являющихся результатом взаимодействия в расплаве сульфидного сырья, загружаемого на поверхность расплава, с кислородом дутья, подаваемого через боковые фурмы в слой расплава. Характер движения образующихся при этом потоков штейновой и шлаковой фаз позволяет выделить в агрегате две основные зоны: барботажную (интенсивно перемешиваемую дутьем), реакционную - надфурменную зону (НЗ) и относительно спокойную зону расслоения штейно-шлаковой эмульсии и образования сплошной штейновой фазы, расположенную ниже плоскости фурм, - подфурменную зону (ПЗ).

Рассмотрим надфурменную зону, в которой одновременно протекают такие характерные для ППВ процессы, как плавление и растворение компонентов шихты, диссоциация высших сульфидов и окисление образующихся сульфидов и серы с выделением большого количества тепла, что определяет автогенность процесса плавки /3,4/.

Процессы диссоциации и окисления в НЗ полностью характеризуются следующими реакциями:

FeS2=>FeS+1/2S2;=>1/2 Cu2S+FeS+1/2S2;+2O2=2SO2; (1)+3/2 O2=FeO+SO2; (2)

(FeS)+3(Fe3O4)=10FeO+SO2; (3)

FeO+1/2O2= Fe3O4. (4)

Кроме учета образующихся в процессе плавки продуктов штейна, шлака и газовой фазы, влияющих на величину тепловыделения, необходимо учитывать реакцию окисления диссоциированной серы шлаковым расплавом:

(FeO)+3/2S2=2[FeS]+SO2. (5)

Вследствие равновесия реакции (5) часть элементарной серы окисляется и переходит в газовую фазу, что необходимо учитывать при расчете теплового баланса. Элементарная сера расплава окисляется в фурменном факеле по реакции (1) и шлаковым расплавом по реакции (5), а также по реакции восстановления магнетита в объеме ванны диссоциированной серой (6). Достижение равновесия при этом объясняется тем, что окисление серы до SO2 протекает до установления равновесного соотношения между ними в соответствии с реакцией (5), которая протекает в областях с высоким парциальным давлением серы (процесс сульфидирования шлака) /3-5/.

Образование магнетита происходит вследствие переокисления шлака в фурменном факеле по реакции (4), а равновесное содержание магнетита в шлаке устанавливается по реакции:

/2S2+2(Fe3O4)=6(FeO)+SO2. (6)

Для разработки математическй модели НЗ процесса ППВ с учетом вышеприведенных особенностей приняты следующие допущения:

. Надфурменная зона - реактор идеального перемешивания.

. Кислород дутья усваивается полностью /3,4/.

. При условии непрерывного барботажа ванны расплава поток штейна, покидающего НЗ, пропорционален его количеству в рассматриваемом объеме ванны.

. Расслоение шлако-штеновой эмульсии и образование конечных продуктов плавки (штейна, шлака и газовой фазы) начинается уже в НЗ. Образовавшиеся в результате протекающих в НЗ реакций химические соединения распределяются между конечными продуктами плавки.

. Соотношение между величинами парциальных давлений PSO2 и PS2 определяется активностями FeS и FeO, которые зависят от состава штейна и шлака /3,5/.

где K7 - константа равновесия реакции (5) /4/; ,  - активности FeS и FeO;

,  - парциальные давления элементарной серы и сернистого ангидрида в газовой фазе; Т - температура расплава.

. Кислород дутья распределяется по реакциям (1), (2) и (4) с коэффициентами распределения, соответственно K3, K4, K6, а также на реакцию горения C+O2=CO2.

. Ошлаковывание FeO идет по реакции:

FeO+ SiO2=(FeO)2 SiO2.

С учетом принятых допущений математическая модель процессов, протекающих в НЗ ППВ, может быть представлена совокупностью дифференциальных уравнений материального и теплового балансов по реагирующим соединениям штейна, шлака и газовой фазы, определяемых зависимостями между концентрациями соединений во входных и выходных потоках в соответствии с реакциями (1) - (6) и условиями реактора идеального перемешивания /7,8/.

Уравнения материального баланса НЗ следующие:

 

где V- объем НЗ; - плотность штейно-шлаковой эмульсии; , , ,  - потоки соответствующих компонентов, поступающих в НЗ с загружаемыми продуктами (шихтой, конвертерным шлаком и др.);  - поток кислорода дутья в НЗ; - плотность кислорода; - поток кислорода на плавку; Ф(5)S ,  - потоки серы на реакцию (5) и Fe3O4 на реакцию (6);  - поток сульфида железа, выносимого штейном в ПЗ;  - поток штейна, выносимого в ПЗ; - плотность штейна;  - объемная доля штейна в эмульсии; - коэффициент выноса штейна в ПЗ; ,  - потоки шихты и шлака; K3, K4, K6 - коэффициенты распределения кислорода по реакциям (1), (2), (4);  - константа скорости реакции (3); CFeS, CFeO, , ,  - концентрация компонентов в НЗ, шихте и шлаке соответственно; MFeS, , , MFeo, S2 - молекулярные массы FeS, O2, Fe3O4, FeO, S2.

Знак последнего члена уравнений (7), (8) и (9) определяется характером реакции (5). При высоких парциальных давлениях серы происходит сульфидирование шлака: знак «плюс» и знак «минус» - в противоположном случае.

Тепловой баланс НЗ описывается дифференциальным уравнением, определяющим изменение количества тепла реакционной зоны как разность приходящего и уходящего потоков тепла, которая для НЗ, как агрегата идеального перемешивания в соответствии с /5,6/ может быть представлена в виде:

,- массовые потоки входных и выходных продуктов; Т, ,  - температура расплава, входных продуктов и плавления гарнисажа соответственно; Ср =  + (1-) - теплоемкость расплава; - теплоемкость входных (выходных) продуктов;  - тепловой эффект химических реакций;  - константы скорости реакций; - концентрации компонентов, участвующих в j-ой реакции; - коэффициент теплопередачи; F - поверхность теплообмена.

Первые два члена уравнения (10) характеризуют тепловые потоки входных и выходных продуктов, определяемые из уравнений:

где Фшх, Фд, Фшт, Фшл, Фо.г. - потоки шихты, дутья, штейна, шлака и отходящих газов; ,  - теплоемкости входных потоков; ,  - теплоемкости выходных потоков, причем  остается постоянным в рабочем диапазоне изменения состава и температур, а теплоемкость штейна зависит от содержания меди в нем и рассчитывается: - потери тепла с потоками компонентов отходящих газов; - плотность i-го компонента отходящих газов; ai и bi - параметры температурной зависимости теплоемкости (удельной энтальпии) i-го компонента газа, численные значения которых определены А.Д. Васкевичем /9/; Qисп - теплота, расходуемая на испарение поступающей с шихтой влаги ; - удельная теплоемкость испарения влаги;  - теплота диссоциации высших сульфидов; ,  - удельная теплота диссоциации высших сульфидов, определяемая по экспериментальным данным.

Третий член уравнения (10) характеризует тепловыделение или потери тепла при химических реакциях, определяемые из уравнений:

где q3, q4, q5, q6, q7, q8 - удельные теплоты химических реакций (1) - (6).

Последний член уравнения (10) характеризует тепловой поток, уносимый системой охлаждения. Причем коэффициент теплоотдачи () можно оценить по формуле, полученной по экспериментальным данным /10/:

где q - удельный тепловой поток от ванны, зависящий от температуры Т, Вт/м2.

Предложенная математическая модель НЗ ППВ по сравнению с существующими моделями расчета статических режимов отражает динамику протекания физико-химических и теплотехнических явлений НЗ агрегата и в отличии от /9/ позволяет посредством включения в систему реакций (5), (6) учесть к тому же динамику взаимодействия продуктов (штейна, шлака), образующихся в процессе плавки и оценить поток магнетита, восстанавливаемого диссоциированной серой. Это позволит учитывать изменение величины тепловыделения и, следовательно, структуры теплового баланса в условиях равновесия в системе штейн - шлак - газовая фаза.

2.3.3  Описание гидродинамической модели

В процессе Ванюкова высокие скорости сжигания горючих компонентов исходных материалов и формирование металлсодержащей, шлаковой и газообразной фаз конечных составов обеспечиваются интенсивным барботажем шлаковой ванны с образованием развитых межфазных поверхностей: газ - жидкость, твердое - жидкость, жидкость -жидкость. Выделение целевого металлсодержащего продукта с максимальным извлечением в него ценных компонентов связано с полнотой последующего разделения эмульсии жидкость-жидкость на две самостоятельные фазы с минимальной поверхностью раздела. Достижение желаемой полноты отделения одной жидкости от другой осуществляется путем изменения режима перемешивания ванны расплава с турбулентного (в фурменной зоне печи) на ламинарное (в подфурменной зоне) и создания условий для протекания процессов отстаивания /12/. Универсальность процесса Ванюкова дает основание рассматривать гидродинамическое моделирование ванны расплава в рабочем объеме печи как одно из направлений в совершенствовании существующих и создании новых технологий.

Гидродинамическое моделирование ванны расплава печи Ванюкова (ПВ) включает последовательно связанные модели фурменной и подфурменной зон.

Гидродинамическая модель фурменной зоны /2/. Создание гидродина-мической модели фурменной зоны печи Ванюкова в первую очередь связано с определением поверхности контакта формирующихся фаз и условного времени пребывания капель металлсодержащей фазы в фурменной зоне печи, которые обуславливают скорости межфазных физико-химических превращений в интенсивно барботируемом объеме ванны расплава.

Общая поверхность контакта конденсированных фаз (FK) в дисперсной системе представляет собой сумму поверхностей всех капель (частиц) металлсодержащей дисперсной фазы, находящейся одновременно в контакте со сплошной шлаковой фазой в рабочем объеме печи. Удельная поверхность контакта фаз (f) представляет собой поверхность контакта, отнесенную к единице объема эмульсии:

где S - горизонтальная площадь сечения печи,  - высота слоя эмульсии в печи.

Выразив FK через объемную долю и размер капель дисперсной фазы эмульсии, получим выражение для расчета удельной поверхности контакта фаз в виде

 

где  - объемная доля дисперсной фазы в печи, r - характерный размер капель дисперсной фазы эмульсии.

Условное время пребывания капель металлсодержащей фазы в фурменной зоне печи ( ) определяется по формуле

 

где  - суммарный объем капель металлсодержащей фазы в эмульсии, равный

 

а  - поток металлсодержащей фазы, приходящий в фурменную зону (выход от плавления).

Важнейшей задачей исследования гидродинамики процессов фурменной зоны печи Ванюкова является также определение скорости стесненного осаждения дисперсной металлсодержащей фазы и ее объемной доли в эмульсии.

В литературе имеется вывод уравнения непрерывности для расслаивания эмульсии с прямоточным и противоточным движением фаз /7/. Рассмотрим вывод этого уравнения применительно к процессу плавки медных материалов на штейн в ПВ.

Из барботируемой зоны печи медный штейн выходит двумя потоками: осаждение штейна в виде крупных капель в подфурменную зону (поток ) и вынос части штейновых капель, не успевших скоалесцировать, вместе со шлаком (поток ). Величины этих потоков можно определить по следующим формулам.

Осаждение крупных капель гидродинамически устойчивого размера происходит со скоростью стесненного осаждения дисперсной штейновой фазы в эмульсии ():

где  - объемная доля штейна в эмульсии, S - площадь сечения печи в плоскости фурм.

Обозначим исходные потоки штейна и шлака (выходы от плавления в единицу времени) как  соответственно. Так как уровень расплава в печи поддерживается постоянным, то совместный поток массы расплава из фурменной в подфурменную зону печи () равен

При этом вынос медного штейна с массой расплава () находится по выражению

Дифференциальное уравнение материального баланса потоков медного штейна в фурменной зоне печи имеет вид

где  - объем штейна в фурменной зоне печи. Учитывая, что объемная доля штейна равна

где V- объем фурменной зоны печи, разделим обе части уравнения (18) на V и подставим в него значения из (15) и (17). В результате получим дифференциальное уравнение вида

Для стационарного режима плавки (= 0) получим уравнение

Преобразуем уравнение (20) относительно  следующим образом:

Знак минус перед квадратным корнем выбирается из условия  < 1.

Уравнение (21) неразрешимо относительно  без определения величины , в наибольшей степени зависящей от той же объемной доли дисперсной фазы эмульсии. Поэтому возможно совместное решение уравнения (21) с уравнением вида = f() /7,13/. Для последнего предполагаются различные формулы, исходя из экспериментальных и теоретических данных по стесненному осаждению капель в эмульсии. Для эмульсий с объемной долей дисперсной фазы менее 30% выражение для расчета скорости стесненного осаждения имеет вид /14/:

где  и  - скорости стесненного и свободного осаждения капель дисперсной фазы.

Для объемных содержаний дисперсной фазы более 30% предлагается формула /14/:

Скорость свободного осаждения капли штейна в шлаке подчиняется закону Стокса:

где  - радиус устойчивой капли штейна,  - плотности штейна и шлака,  -динамическая вязкость шлака.

Для расчета величины          , определяющей скорость расслаивания жидких продуктов плавки в фурменной зоне ПВ, необходимо также знать тип образующейся эмульсии и характерный размер капель дисперсной фазы в ней. Расчет этих характеристик дисперсных систем связан с оценкой интенсивности перемешивания расплава. Количественной мерой интенсивности перемешивания расплава служит мощность, расходуемая на преодоление сил вязкости. Методика подобных расчетов для процесса Ванюкова подробно рассмотрена в работе /15/.

Определяющим фактором в формировании среднего состава дисперсной фазы являются процессы турбулентного дробления и коалесценции, которые приводят к усреднению размера капель штейна эмульсии в фурменной зоне печи. За счет протекания этих процессов достигается высокая скорость всех физико-химических превращений и взаимодействий и в конечном итоге - высокая производительность плавки в целом. По данным /15/, 98% капель успевают скоалисцировать в единицу времени в фурменной зоне печи и только около 2% остаются в виде не укрупнившейся взвеси. Эти количественные данные получены в предположении об очень низкой частоте эффективных соударений при коалесценции (К=10-4) и позволили рассматривать эмульсию штейна в шлаке как близкую к монодисперсной. Размер капель штейна в этом случае равен максимально гидродинамически устойчивому при данных мощности перемешивания, вязкости сплошной шлаковой фазы и температуре.

Таким образом, для расчета объемного содержания медного штейна в фурменной зоне ПВ можно использовать выражение (21), определяя скорость стесненного осаждения  для максимально устойчивых капель штейна в эмульсии.

Для количественной оценки величины устойчивого размера капли дисперсной фазы в эмульсии при больших значениях удельной мощности перемешивания обоснованно применение зависимости /15/

где  - радиус устойчивой капли,  - динамическая вязкость эмульсии,  - плотность среды, ε - удельная мощность перемешивания.

При этом учитывалось, что вязкость и плотность в уравнении (15) зависят от вязкости, плотности и объемных долей дисперсной и сплошной фаз. Выражение для плотности штейно-шлаковой эмульсии при плавке на штейн имеет вид

С учетом того, что вязкость шлака значительно выше вязкости штейна, для эмульсии штейна в шлаке вязкость определялась из соотношения

Из приведенных зависимостей видно, что на строение и поведение дисперсной системы наибольшее влияние оказывают структурно-чувствительные свойства компонентов штейно-шлаковой эмульсии. К числу наиболее важных свойств, с точки зрения гидродинамики ванны расплава, относятся плотности и вязкости шлака и штейна, а также их зависимости от состава и температуры.

Зависимость плотности шлака от ее состава и температуры приведена в работе /16/ и хорошо согласуется с экспериментальными данными. Плотность шлака (т/м3) при температуре в рабочей зоне печи до 1400оС рассчитывается по формуле

где

Здесь содержания компонентов даны в % (по массе).

Псевдобинарная система Cu2S-FeS является наиболее близкой к составам медных штейнов. Пересчет экспериментальных данных /17/ на составы штейнов по содержанию в них меди и железа позволил получить аналитическую зависимость плотности штейна от состава его по меди и железу при Т=1200оС:

При составлении математического описания процесса плавки сульфидных медных концентратов в печи Ванюкова исходили из следующих положений:

выделение тепла от окисления сульфидов, а также формирование фаз конечного состава происходят только в фурменной зоне печи;

гидродинамические условия фурменной зоны печи отвечают аппарату идеального перемешивания.

Расчеты по математическому описанию поведения дисперсной фазы в фурменной зоне ПВ основываются на материальном балансе процесса плавки для различных составов штейнов и шлаков, расходов дутья и степени его обогащения кислородом, количеств дополнительного топлива на плавку, производительности печи по шихте и температуры.

Температура процесса рассчитывается из теплового баланса ПВ, который в общем виде можно представить следующим уравнением:

где , ,  - тепло от окисления серы, FeS и сгорания природного газа; , ,  - соответственно тепло продуктов плавки (штейна, шлака и отходящих газов), тепло, уносимое водой кессонов, и неучтенные потери тепла.

Искомая температура входит в величину : решая уравнение (31) относительно Т, можно найти температуру в рабочей зоне печи.

Данные, полученные из материального баланса, позволяют рассчитать физические свойства штейна, шлака и штейно-шлаковой эмульсии по уравнениям (26), (27), (28)-(30). Исходя из физических свойств компонентов эмульсии, дутьевых параметров, обогащения дутья кислородом и производительности печи по шихте, можно вычислить удельную мощность перемешивания ванны расплава газом (по уравнению, приведенному в /15/) и гидродинамически стабильный размер капли диспергированной штейновой фазы по зависимости (13). Совместным решением методом итераций уравнений (23)-(25) вместе со значением объемной доли штейна в эмульсии получим величины скоростей свободного и стесненного осаждения капель дисперсной фазы.

Поведение дисперсной фазы в подфурменной зоне /2/. Считая состояние эмульсии в зоне интенсивного барботажа как исходное, представляется интересным проследить поведение дисперсной фазы по мере движения расплава вниз от уровня фурм. Подфурменная зона ПВ является относительно спокойной в гидродинамическом отношении. В ней происходит разделение штейна и шлака. Рассмотрим влияние температуры на содержание штейновой фазы в эмульсии по мере опускания расплава ниже уровня фурм.

Совместный часовой поток шлака и штейна из фурменной зоны печи в подфурменную составляет

где Фэм, Фшт и Фшл - потоки эмульсии, штейна и шлака соответственно.

Среднее время пребывания расплава в подфурменной зоне будет равно

где Vп.з - объем подфурменной зоны.

Весовые выходы продуктов плавки (Вшт, Вшл) в течении 1 часа рассчитываются по формулам

Искомая температура в подфурменной зоне печи Т п.з на определенном уровне (глубине h) от плоскости фурм находится из уравнения

где - потери тепла в подфурменной зоне (как функции глубины подфурменной зоны h), определяемые экспериментально.

Падение температуры в подфурменной зоне печи  определяется как

где Тф.з - температура в фурменной зоне печи.

Далее с учетом температуры Тп.з рассчитываются физические свойства шлака, штейна, эмульсии, скорости стесненного и свободного осаждения и объемная доля штейна в эмульсии.

Модель расслаивания эмульсии в подфурменной зоне позволяет определить необходимую глубину зоны отделения штейна от шлака в зависимости от изменения технологических параметров процесса плавки. Критерием в оценке глубины зоны отделения может служить формальное равенство скорости стесненного осаждения капель дисперсной фазы (Uд) потоку ее от плавления (Фшт), отнесенному к площади горизонтального сечения зоны отделения штейна от шлака (Sотд). При этом условии по величине температуры Тп.з рассчитывается глубина зоны отделения штейна от шлака (h) из зависимости

где qп.з - удельные потери тепла в подфурменной зоне, Р - периметр зоны отделения штейна от шлака (подфурменной зоны печи).

Математическое моделирование процесса Ванюкова для плавки сульфидного сырья на штейн после некоторой корректировки применимо и для описания процесса непрерывного конвертирования медных штейнов на черновую медь.

2.3.4  Разработка замкнутой динамической модели

Полученные в работе /1/ результаты позволяют моделировать процессы в надфурменной зоне ППВ, описывающие кинетику химических реакций с учетом входных и выходных потоков исходных веществ и продуктов реакций. Однако эти соотношения не учитывают гидродинамическую обстановку в зоне, а также не позволяют описать процессы разделения фаз в подфурменной зоне.

В исследованиях /2/, напротив, хорошо описывается гидродинамика в фурменной и подфурменной зонах, однако не приводятся соотношения, описывающие кинетику протекающих реакций. Кроме того, модель /2/ не описывает процесс в динамике. При этом полученные в /2/ результаты позволили авторам не только находить оптимальные режимы в уже существующих печах ПВ, но прогнозировать режимы новых технологий. В частности, разработанная гидродинамическая модель фурменной зоны ПВ была использована при моделировании процесса конвертирования медных штейнов в печах ПВ /18/.

С учетом отмеченных достоинств и недостатком моделей /1/ и /2/ предлагается объединить основные уравнения этих двух работ, дополнив их уравнениями для согласования моделей.

Поскольку поток серы на реакцию (5) - Ф(5)S является массовым расходом серы и для сохранения размерности в уравнениях (7), (8) и (9) перепишем их в следующем виде:

 

В уравнении материального баланса по штейну необходимо учесть, что из барботируемой зоны печи медный штейн выходит двумя потоками: осаждение штейна в виде крупных капель в подфурменную зону (поток ) и вынос части штейновых капель, не успевших скоалесцировать, вместе со шлаком (поток ). Величины этих потоков можно определить по формулам (15) и (17), тогда уравнение по расчету количества штейна в фурменной зоне можно рассчитать по формуле:

Тепловой баланс НЗ описывается дифференциальным уравнением, определяющим изменение количества тепла реакционной зоны как разность приходящего и уходящего потоков тепла, и описывается уравнением (10) без изменения.   Все остальные уравнения моделей /1/ и /2/ также остаются без изменения.

2.4 Выбор и описание метода оптимизации

Применение современных информационных технологий и компьютерной техники позволило широко использовать методы оптимизации и адаптации при создании и эксплуатации автоматизированных систем управления технологическими процессами на предприятиях различных отраслей экономики.

Для правильной постановки оптимизационной задачи необходимо выполнение следующих условий: требование оптимизации только одной величины; наличие степеней свободы у оптимизируемого объекта -управляющих воздействий; возможность количественной оценки оптимизируемой величины. А для решения оптимизационных задач необходимы математические методы целенаправленного поиска таких управляющих воздействий, которые бы обеспечивали достижения поставленной цели оптимизации.

Решение любой задачи оптимизации начинается с выявления цели оптимизации, т.е. формулировки требований, предъявляемых к объекту оптимизации. От того, насколько правильно выражены эти требования, может зависеть возможность решения задачи.

Для решения задач оптимизации нужно располагать ресурсами оптимизации, под которыми понимают свободу выбора значений некоторых параметров оптимизируемого объекта. Другими словами, объект оптимизации должен обладать определенными степенями свободы - управляющими воздействиями, которые позволяют изменять его состояние в соответствии с теми или иными требованиями.

Наконец, еще одно условие правильной постановки оптимальной задачи заключается в наличии количественной оценки интересующего качества объекта оптимизации. Это условие также необходимо, поскольку лишь при его выполнении можно сравнить эффекты от выбора тех или иных управляющих воздействий. Количественная оценка оптимизируемого качества объекта обычно называется критерием оптимальности или целевой функцией, функцией качества, экономическим критерием и т.д. Вид критерия оптимальности определяется конкретным содержанием решаемой задачи оптимизации и может оказывать существенное влияние на выбор метода решения. В конечном итоге достигаемое значение критерия оптимальности дает количественную оценку эффекта оптимизации.

При решении конкретной задачи оптимизации цели необходимо выбрать математический метод, который приводил бы к конечным результатам с наименьшими затратами на вычисление (количество обращении метода к математической модели). К настоящему времени разработано достаточно большое количество методов, позволяющих «автоматизировать» процесс поиска оптимальных решений. Рассмотрев наиболее известные методы, которые чаще всего используются в практике разработки систем оптимального управления технологическими процессами, симплексный метод выбран как наиболее эффективный.

Попыткой избежать необходимости вычисления производных для определения направления наискорейшего продвижения к оптимуму и в то же время сохранить возможность достаточно быстрого движения к нему является алгоритм симплексного метода.

Основная идея этого метода заключается в том, что по известным значениям целевой функции в вершинах выпуклого многогранника, называемого симплексом, находится направление, в котором требуется сделать следующий шаг, чтобы получить наибольшее уменьшение (увеличение) критерия оптимальности. При этом под симплексом в n-мерном пространстве понимается многогранник, имеющий ровно п+1 вершин, каждая из которых определяется пересечением п гиперплоскостей данного пространства. Примером симплекса в двухмерном пространстве, т. е. на плоскости, является треугольник (рисунок 4, а). В трехмерном пространстве симплексом будет любая четырехгранная пирамида, имеющая четыре вершины, каждая из которых образована пересечением трех плоскостей - граней пирамиды. (рисунок 4, б).

Рис. 4. Примеры симплексов на плоскости (а) и в пространстве (б)

Отметим одно свойство симплекса: против любой из вершин симплекса Sj расположена только одна грань, на которой можно построить новый симплекс, отличающийся от прежнего расположением новой вершины Sj, тогда как остальные вершины обоих симплексов совпадают. Вершина Sj нового симплекса, вообще говоря, может находиться и по другую сторону грани от вершины Sj. Именно это свойство симплекса и обусловило возможность его применения при решении оптимальных задач, в которых требуется отыскать экстремальные точки целевых функций.

Рассмотрим наглядную иллюстрацию алгоритма симплексного метода на примере задачи отыскания наименьшего значения целевой функции двух независимых переменных с линиями постоянного уровня, изображенными на рисунке 24.

Прежде всего производится расчет значений целевой функции в трех точках S10, S20 и S30, соответствующих вершинам симплекса (треугольника). Из найденных значений целевой функции выбирается наибольшее. В представленном на рисунке 5 случае наибольшее значение целевой функции получается в точке S10.

Рис. 5. Поиск оптимума симплексным методом

Далее строится новый симплекс, для чего вершина S10 исходного симплекса заменяется вершиной S11, расположенной симметрично вершине S10 относительно центра грани симплекса, находящейся против вершины S10. Для варианта, изображенного на рисунке 5, построение нового симплекса осуществляется определением центра А стороны треугольника S20 S30, после чего на продолжении прямой, проведенной через вершину S10 и точку А, откладывается отрезок АS11=АS10. Пунктирная стрелка, соединяющая прежнюю вершину с новой, показывает путь преобразования симплекса.

В новой вершине S11 вычисляется значение целевой функции, которое сравнивается с известными значениями для других вершин нового симплекса (S20 и S30), и снова находится вершина S30 с наибольшим значением целевой функции, подлежащая исключению при построении следующего симплекса S11S20 S31 и т. д.

В результате применения рассмотренной процедуры исключения вершин симплексов с наибольшим значением целевой функции процесс сходится к минимальному значению. На рисунке 24 видно, что вблизи от оптимума может возникнуть зацикливание, которое для рассматриваемого случая двух переменных сводится к тому, что вновь полученная вершина S35 последнего симплекса S13S22S35 исключается и образуется предыдущий симплекс S13S22S34. Для того чтобы устранить зацикливание, достаточно изменить размеры симплекса в сторону его уменьшения, что соответствует уменьшению шага спуска в районе оптимума, использующемуся и в градиентных методах. Наиболее просто это можно сделать, если вдоль прямой S34ВS35 от точки В отложить отрезок, равный половине отрезка S34В, в результате чего во вновь полученном деформированном симплексе S13S22S’35 исключению уже будет подлежать вершина S13. Если зацикливание возникнет снова, размеры симплекса опять уменьшатся, пока не будет достигнута требуемая точность определения оптимума.

Критерием окончания поиска могут служить размеры симплекса. Поиск можно прекратить, например, если все ребра симплекса станут меньше заданной достаточно малой величины.

Таким образом, алгоритм симплексного метода допускает автоматическое изменение величины шага, при использовании которого вдали от оптимума возможно применение симплексов большого размера, что обеспечивает более быстрый спуск.

Случаи зацикливания могут встретиться и в задачах более высокой размерности. Если на очередном шаге исключению подлежит вновь полученная вершина, то это и служит сигналом о возникновении зацикливания. В этом случае размеры симплекса изменяются и поиск продолжается до обнаружения нового зацикливания.

Рассмотрим порядок построения нового симплекса для задач произвольной размерности п. Пусть вершинам Si(i=1, ..., п + 1) исходного симплекса отвечают координаты:

 i=1,…,n+1.

Предположим, что наибольшее значение целевой функции соответствует вершине Sj. Определим координаты вершин нового симплекса.

Согласно правилу построения вершины нового симплекса, вершина  располагается в точке, симметричной вершине Sj относительно центра грани, находящейся против вершины Sj. Координаты центра этой грани могут быть определены по формуле:

где суммирование ведется только по тем векторам , которые отвечают вершинам  образующим грань.

Вектор и, характеризующий расстояние от вершимы  до центра противолежащей грани, в данном случае будет:

Для того чтобы найти координаты вершины  нового симплекса, следует воспользоваться выражением

подставляя в которое значение  из формулы (9,2), в окончательном виде получим формулу

,

определяющую координаты вершины  нового симплекса.

Если в процессе применения симплексного метода возникает зацикливание, то для уменьшения размеров симплекса вместо формулы (9,4) можно пользоваться выражением

,

которое после подстановки в него значения  из формулы (9,2) может быть представлено в виде:

.

В качестве начального симплекса при применении симплексного метода поиска лучше всего использовать правильный симплекс со всеми вершинами и гранями, соответственно одинаково удаленными от центра симплекса. Для таких начальных симплексов поиск производится наиболее эффективно. Примерами правильных симплексов на плоскости и в трехмерном пространстве являются соответственно равносторонний треугольник и тетраэдр, образованный равносторонними треугольниками.

Доказано, что при применении правильных симплексов направление движения в симплексном методе совпадает с направлением градиента, если, естественно, симплекс достаточно мал. Вместе с тем, реализация данного метода не требует существенного увеличения вычислительных затрат с повышением размерности решаемой задачи, поскольку на каждом шаге рассчитывается только одно значение целевой функции независимо от числа переменных. В то же время при использовании градиентных методов поиска с возрастанием числа независимых переменных соответственно увеличивается число вычисляемых значений целевой функции при расчете производных по всем переменным.

2.5 Постановка задачи оптимального управления процессом

Основной задачей оптимизации является расчет такого режима ведения процесса, который доставлял бы выбранной функции цели экстремальное значение (минимум или максимум). При этом необходимо обеспечить соблюдение некоторых технологических ограничений, которые позволяют вести процесс в устойчивом и безаварийном режиме.

Математическая модель (39-42) процесса в ПВ позволяет рассчитать потери меди с отвальным шлаком в зависимости от производительности, химических и физических свойств исходной шихты, расхода дутья, содержания в нем кислорода, поддержания манометрического режима и т.д.. Поэтому содержательная постановка задачи оптимизации может быть сформулирована следующим образом: «Для заданного состава шихты рассчитать такие значения расхода дутья, содержания в нем кислорода и расхода шихты, которые обеспечили бы минимальные потери меди с отвальным шлаком, при соблюдении технологических ограничений на: расход шихты, температуру в печи, расхода дутья, содержание кислорода в дутье».

Потери меди с отвальным шлаком определяются количеством штейновых капель, не успевших скоалесцировать, вместе со шлаком - поток .

Постановка задачи оптимального управления в таком виде позволит, во-первых, управлять процессом оптимальным образом (минимизацией содержания меди в отвальном шлаке и во-вторых, вести процесс в устойчивом и безаварийном режиме (посредством соблюдения технологических ограничений).

Наличие математической модели (39-42), выбранного метода поиска и заводских требований соблюдения технологических ограничений позволяют сформулировать математическую постановку задачу оптимизации в виде

Fц = р à min

При этом поток  определяется с помощью математической модели (39-42), для заданных химических и физических свойств шихты. Однако выбранный алгоритма поиска экстремума симплексным методом не позволяет осуществлять поиск при наличии ограничений. Для использования этого метода необходимо преобразовать функцию цели (1) и ограничения (2) к виду

Fц*= Fц+ Fштраф

где Fц* - новая (преобразованная функция цели, Fштраф - так называемая функция штрафа, величина которой зависит от нарушения технологических ограничений.

При этом штраф накладывается только в случае нарушения верхнего или нижнего ограничения, а его величина может быть рассчитана по следующим образом:

Fштраф=

Таким образом при нарушении ограничений функция штрафа будет возрастать тем больше, чем больше нарушено какой-либо ограничение. При необходимости можно выставить «веса» за нарушения какого-либо ограничения, в зависимости от его важности. Тогда функция штрафа будет выглядеть следующим образом:

Fштраф=

где αi - «вес» i-й переменной, обозначающей «цену» штрафа за нарушение ограничений на эту переменную.

Таким образом, содержательная и математическая постановки задачи оптимального управления позволяют разработать алгоритм оптимального управления и соответствующее программное обеспечение.

2.6 Разработка экспертной системы управления процессом

В приведенной на рисунке 3 структуре предполагается использовать интеллектуальную подсистему, которая на основе полученной от подсистемы оптимизации данных Х1, Х2 и Х3, а также входных переменных Х4 и Х5 рассчитывает уточненное значение скорости загрузки концентрата. Это связано с тем, что в случае, если классические методы построения математических моделей окажутся недостаточными для адекватного описания данного процесса необходимо задействовать современный математический аппарат теории нечетких множеств. Этот инструмент позволяет математически описывать не сам процесс, а строить модель управления им на основе знания, опыта и интуиции технологов-металлургов. Скорость загрузки концентрата является определяющей для всего процесса плавки, поэтому для ее расчета необходимо использовать знания, опыт и интуицию металлургов.

Для достижения конечной цели настоящей дипломной работы, поставленной в п. 2.2 был привлечен современный математический аппарат теории нечетких множеств, позволяющий получать адекватные модели управления процессом на основе экспертных знаний, опыта управления и интуиции. Причем получение таких моделей управления требует значительно меньших затрат всех ресурсов, и в первую очередь временных.

2.6.1 Постановка задачи построения управляющей модели в нечеткой среде

Применительно к процессу Ванюкова при безокислительной плавке сульфидного сырья физико-химические и гидродинамические модели не созданы по ряду объективных причин. Несмотря на это, процессы функционируют и успешно управляются операторами, осуществляющими выбор управляющих воздействий на основании опыта, т.е. неформализованной модели процесса, существующей в их сознании. Таким образом, при исследовании указанных процессов возникает необходимость учета качественной информации, которая зачастую является определяющей, хотя и не поддается точному описанию, т.е. является нечеткой по своей сути.

В связи с этим возникает задача построения управляющей модели в нечеткой среде на основе знаний технологов о моделируемом процессе с использованием лингвистических переменных (ЛП). В работе [1] показано, что эксперту удобнее всего представлять свои знания в виде причинно-следственных связей «Если …, то …». Так, например, эксперт описывает свои действия при управлении: «Если влажность концентрата высокая, то увеличить общее дутье или уменьшить скорость подачи шихты».

Понятие ЛП дает подходящее средство для описания различных процессов, в частности интеллектуальной деятельности человека. Для логико-лингвистического описания поведения системы будем считать причины входными параметрами, а следствия - выходными. например, влажность концентрата станет ЛП, если она ассоциируется с терм- множеством значений: низкая, ниже средней, средняя, выше средней, высокая.

Лингвистические переменные могут использоваться при опросе эксперта на основании теории планирования эксперимента в качестве входных (Хi) и выходных (Yj) переменных и параметров управления с дальнейшей аппроксимацией результатов аналитической функцией в виде полинома

При применении значений ЛП в качестве точек факторного пространства, характеризующих процесс, поведение исследуемой системы описывается экспертом на естественном (или близком к нему) языке. Это делает ЛП наиболее адекватным средством представления экспертных знаний, так как переход от словесных оценок к числовым не вызывает затруднений по любой из шкал.

Множество пар «ситуация-действие» задается в вершинах гиперкуба по методам планирования эксперимента.

Для реализации данной схемы необходимо использовать методы теории нечетких множеств и теории планирования эксперимента, элементы которых приведены ниже.

2.6.2 Элементы теории нечетких множеств

Основные этапы нечеткого вывода. Разработка и применение систем нечеткого вывода включает в себя ряд этапов.

Информацией, которая поступает на вход системы, являются измеренные входные переменные. Информация, которая формируется на выходе системы, соответствует выходным переменным, которыми являются управляющие переменные процесса.

Системы нечеткого вывода предназначены для преобразования значений входных переменных процесса управления в выходные переменные на основе использования нечетких правил продукций. Для этого системы нечеткого вывода должны содержать базу правил нечетких продукций и реализовать нечетких вывод заключений на основе посылок или условий, представленных в форме нечетких лингвистических высказываний.

Таким, образом, основными этапами нечеткого вывода являются:

1.   Формирование базы правил систем нечеткого вывода (СНВ).

2.       Фаззификация входных переменных.

.        Агрегирование подусловий в нечетких правилах продукций.

.        Активизация или композиция подзаключений в нечетких правилах продукций.

.        Аккумулирование заключений нечетких правил продукций.

Формирование базы правил СНВ.          База правил СНВ предназначена для формального представления эмпирических знаний или знаний эксперта. В СНВ используются правила нечетких продукций, в которых условия и заключения сформулированы в терминах нечетких лингвистических высказываний. Совокупность таких правил будем называть базами правил нечетких продукций (БПНП).

БПНП представляет собой множество правил нечетких продукций, согласованных относительно используемых в них лингвистических переменных. Наиболее часто БПНП представляется в форме структурированного текста

(F1)

 (F2)

(Fn)

Fi - коэффициенты определенности или весовые коэффициенты соответствующих правил [0,1]. Обычно равен 1.

В СНВ ЛП, которые используются в нечетких высказываниях подусловий правил нечетких продукций, часто называют входными лингвистическими переменными, а переменные, которые используются в нечетких высказываниях подзаключений правил нечетких продукций, часто называют выходными ЛП.

Таким образом, при формировании БПНП необходимо определить: множество правил нечетких продукций: P={R1 ,R2, …., Rn}, множество входных ЛП: V={b1, b2,…, bm} и множество выходных ЛП: W={w1, w2,..,wS}.

Порядок выполнения других этапов (фаззификации, агрегирования, активизации, аккумуляции и дефаззификации) приведен в / /, где описаны также элементы теории нечетких множеств.

2.6.3 Элементы теории планирования экспериментов

Под экспериментом будем понимать совокупность операций совершаемых над объектом исследования с целью получения информации о его свойствах. Важнейшей задачей методов обработки полученной в ходе эксперимента информации является задача построения математической модели изучаемого явления, процесса, объекта. Ее можно использовать и при анализе процессов и при проектировании объектов. Можно получить хорошо аппроксимирующую математическую модель, если целенаправленно применяется активный эксперимент. Другой задачей обработки полученной в ходе эксперимента информации является задача оптимизации, т.е. нахождения такой комбинации влияющих независимых переменных, при которой выбранный показатель оптимальности принимает экстремальное значение.

Опыт - это отдельная экспериментальная часть. План эксперимента - совокупность данных определяющих число, условия и порядок проведения опытов. Планирование эксперимента - выбор плана эксперимента, удовлетворяющего заданным требованиям, совокупность действии направленных на разработку стратегии экспериментирования (от получения априорной информации до получения работоспособной математической модели или определения оптимальных условий). Это целенаправленное управление экспериментом, реализуемое в условиях неполного знания механизма изучаемого явления.

Цель планирования эксперимента - нахождение таких условий и правил проведения опытов при которых удается получить надежную и достоверную информацию об объекте с наименьшей затратой труда, а также представить эту информацию в компактной форме с количественной оценкой точности.

Пусть интересующее нас свойство (Y) объекта зависит от нескольких независимых переменных (X1, X2,,…, Xn) и мы хотим выяснить характер этой зависимости - Y=F(X1, X2,,…, Xn), о которой мы имеем лишь общее представление. Величина Y - называется «отклик», а сама зависимость Y=F(X1, X2,,…, Xn) - «функция отклика».

Регрессионный анализ функции отклика предназначен для получения ее математической модели в виде уравнения регрессии

Y=F(X1 , X2,,…, Xn;B1,B2,,…,Bm)+e,

где B1,B2,,…,Bm - некоторые коэффициенты; e - погрешность.

Функция отклика может быть выражена через кодированные факторы Y= f(x1, … ,xn) и записана в полиномиальном виде

Очевидно, что Bi≠bi ,но

Y=F(X1, … , Xi, … , Xn) = f(x1 , … , xi , … , xn).

Для полинома, записанного в кодированных факторах, степень влияния факторов или их сочетанй на функцию отклика определяется величиной их коэффициента bi. Для полинома в именнованных факторах величина коэффициента Bi еще не может быть записанв более компактной форме

При определении общего числа членов степенного ряда количество парных сочетаний для n факторов в полиноме, тройных сочетаний, i-ных сочетаний (Cin) при n>i находится по соотношению

.

Например, для набора четырех чисел (n=4) - 1, 2, 3, 4 число тройных сочетний составляет

 - 123, 134, 124, 234.

Если считать, что существует фактор х0 всегда равный 1, то

Если дополнительно все двойные, тройные и т.д. сочетания факторов, а также квадраты факторов и все соответствующие и коэффициенты обозначить через xi и bi , для i=n+1, ... , m, то степенной ряд можно записать в виде

Здесь m+1 общее число рассматриваемых членов степенного ряда.

Для линейного полинома с учетом всех возможных сочетаний факторов

Полный квадратичный полином выглядит следующим образом:

где

Матричные преобразования при обработке результатов эксперимента. При матичной записи результатов различных N опытов для полиномиального представления результата будем иметь в виде

Y=X∙B

где x - матрица сочетаний факторов

X=

N строк

m+1 столбец

Здесь 0,1, … ,i, … , m - номера членов уравнения; I, … , U, … , N… - номера опытов. Матрица Х элементы x0U=1, U=1,…, N, то матрицу Х можно записать

Х= .

 матрица столбец результатов опыта,

- матрица столбец коэффицента полинома.

Домножим левую и правую части этого равнения на ону и ту же матрицу Xt - транспонированную матрицу Х

Xt∙X∙B=Xt∙Y.

Транспонированная матрица - это матрица, у которой по отношению к исходной мтолбцы и строки поменяны местами.

Xt=

m+1 строка

N столбцов

C=Xt∙X матрица, получившаяся в результате произведения траспонированной матрицы на исходную. Она является квадратной матрицей, содержащей m+1 строку и m+1 столбец.

C∙B=Xt∙Y.

Для того чтобы получить в общем виде матрицу-столбец коэффициентов В необходимо домножить обе части последнего матричного уравнения слева на матрицу С-1 - матрицу обратную матрице С.

C-1∙C∙B=C-1∙Xt∙Y.

Обратная матрица строится так (используется процедура обращения матрицы), что при умножении ее на исходную матрицу получается единичная матрица - Е, у которой на главной диагонали расположены 1, а вне ее - 0.

С-1∙С=Е=

Окончательная в общем виде матрица-столбец коэффициентов полинома

B=C-1∙Xt∙Y.

Рассмотрим в качестве простого примера полином в виде

YU=b0x0+b1xU; x0=1; U=1,…, N;

формируемого по резльтатам N опытов.

X=   Y= B= Xt=

C=Xt∙X=;

C∙B=

Xt∙Y=

C∙B=Xt∙Y;

 или

Откуда решение системы относительно коэффициентов b0 и b1

Этот результат полностью совпдет с соотношениями для такого же полинома при использовании метода наменьших квадрантов, где используетсячисленный показатель минимальности суммы квадрантов отклонений во всех N опытах. Следовательно, построенный таким образом полином будет проходить самым ближайшим образом к результатам эксперимента.

Существуют несколько видов планирования эксперимена:

·    ортагональное планирование эксперимента;

·        планы полного факторного эксеримента 2n (планы ПФЭ 2n );

·        планы дробного факторного эксперимента (планы ДФЭ);

·        насыщенные планы первого порядка;

·        планы второго порядка;

·        ортогональный центрально-композиционный план второго порядка;

·        рототабельные планы;

·        рототабельный ортогональный центрально-композиционный план;

·        планы второго порядка с единичной областью планирования;

·        рототабельный план на основе правильного многоугольника n=2;

2.6.4 Разработка алгоритма нечеткого управления плавкой в ПВ

При построениях управляющей модели процессом безокислительной плавки медного концентрата цеха разделения файнштейна (ЦРФ) в качестве экспертов выступали квалифицированные операторы и технологи.

В результате их опроса были выявлены следующие переменные, используемые при управлении процессом:

Х1 -скорость загрузки концентрата;

Х2 - соотношение дутье-загрузка, нм3/т;

Х3 - обогащение дутья кислородом, %;

Х4 - влажность концентрата;

Х5 - разность температур воды на входе и выходе, 0С.

В качестве выходного параметра была выбрана уставка скорости загрузки Y, т/ч.

План опроса представлял собой набор продукционных правил типа «ситуация-действие». Была реализована матрица полного факторного эксперимента типа 25. Ситуация задавались в следующей форме: «если Х1 - низкая, Х2 - высокое, Х3 - низкое,Х4 - высокая, Х5 - высокая, то Y- ? »

Числовые значения Y представлены в виде унимодальных нечетких чисел (L-R). Лингвистическая переменная Y - скорость загрузки концентрата.

Математической обработкой результатов опроса по матрице планирования получена следующая зависимость:

Y=16,06+1,63Х1+4,5Х2+4Х5-1,81Х1 Х2+1 Х1Х3+2,06 Х2Х4-2 Х3 Х5+0,69 Х4 Х5 (1)

Здесь приведены только значимые коэффициенты полинома. ошибка при уровне значимости 0,05 составила s{bi}=0,06. Коэффициентами при квадратичных членах в указанном полиноме можно пренебречь, так как

b0 - Y0<s{bi}.

Анализ проведения графиков расхода концентрата, расчетных по уравнению (1) и фактических, показывает высокую степень адекватности модели процессу управления им оператором, наблюдающиеся различия в загрузках не противоречат практике ведения процесса, что было подтверждено экспертами-технологами. Таким образом, прогностические возможности полученного полинома весьма высоки и данная модель может быть рекомендована к внедрению в виде советчика оператору.

Важно отметить следующие особенности предлагаемого метода. Полученная модель несет дополнительную и эвристическую информацию, позволяющую судить о логике оператора-технолога при управлении процессом. Известно, что эксперт способен оперировать с небольшим количеством входных переменных, но, как видно из уравнения (1), количество линеаризованных (нелинейных) значимых коэффициентов существенно превышает указанный верхний предел. Следовательно, эксперт не в состоянии их формализовать при описании своей понятийной модели, используемой при выборе управляющего воздействия. Другими словами, только предлагаемым расчетным путем удается оценить влияние неформализованных переменных, интуитивно учитываемых экспертом, и выявить их смысл. Например, переменная Х3 (содержание кислорода в кислородно-воздушной смеси (КВС)) в линейном виде оказывает незначимое воздействие на изменение загрузки, но ее влияние происходит через парные взаимодействия с разностью температур охлаждающего контура (Х3 Х5 ) и загрузкой концентрата ЦРФ (Х1 Х3).

Значимость взаимодействия такого типа, по видимому, следует отнести к процессам, происходящим в подсознании эксперта на уровне интуиции. Таким образом, можно полагать, что разработанный метод позволяет количественно оценить кроме входных еще и «интуитивную составляющую», существенно влияющую на выбор управляющего воздействия.

По методу построения управляющих моделей металлургических процессов на основе оценки качественной информации, полученной от оператора-технолога, построена управляющая модель процесса плавки концентрата ЦРФ в ПВ.

АСУТП, использующая эту модель как базу знаний, в принципе способна вести процесс на уровне оператора-технолога.

Опыт технолога-эксперта, зафиксированный в виде полиномиальной модели, может быть тиражирован для управления аналогичными агрегатами либо в качестве базы знаний на тренажере для обучения операторов.

2.7 Разработка системы автоматической стабилизации разряжения под сводом печи

Одной из основных автоматических систем в печи Ванюкова является система стабилизации разряжения под сводом печи. Стабилизация разряжения обеспечивается регулированием его с помощью изменения числа оборотов газодувки, установленной за циклонами системы пылеочистки.

Расчет автоматических систем регулирования основывается на статических и динамических характеристиках объекта. Временными динамическими характеристиками объекта управления называют изменение выходной величины во времени при изменении входной величины типового вида. В качестве типового входного воздействия рассмотрена единичная ступенчатая функция. По экспериментальным кривым разгона, снятых на объекте во время преддипломной практики (см. рисунок 4), можно принять допущение о данном объекте как объекте с апериодическим (инерционным) звеном с запаздыванием, линеаризованного первым порядком:

где Тоб - постоянная времени объекта, характеризующая его инерцию; t - время запаздывания; k - передаточный коэффициент.

2.7.1 Определение статических и динамических характеристик

Для определения динамических характеристик объекта, на заводе «Балхашмыс» были проведены эксперименты по снятию кривой разгона. Для получения характеристик Тоб,t, k экспериментальную кривую разгона, представленную на рисунке 4, обработаем следующим образом: для определения k воспользуемся в установившемся динамическом режиме зависимостью выходной величины от входной. Объект управления, представленный, как инерционное звено первого порядка, в общем виде описывается дифференциальным уравнением:

Рис.8. Кривая разгона по каналу «разряжение в печи - число оборотов дымососа»

Проекция касательной, приведенной в точке перегиба кривой разгона на ось абсцисс представляет собой постоянную времени объекта Тоб, характеризующую инерционность объекта. Она составляет 50 секунд. Время запаздывания составляет 17 секунд и складывается из запаздывании объекта и так называемого транспортного запаздывания, которое составляет 6 секунд.

Рис. 9

Воспользуемся линеаризацией по методу касательной. Геометрический смысл заключается в замене кривой y=f(x) касательной проведенной к кривой в точке А(y0;x0). Если рассматривать характеристику в отклонениях переменных «x» и «y» от значений в точке А(y0;x0), т.е.   то уравнение запишется в виде

где  следовательно коэффициент может быть определен, как тангенс угла наклона касательной

где my и mx - масштабные коэффициенты.

Таким образом, передаточная функция объекта по основному каналу запишется в виде:

где, k=3 - коэффициент усиления,

t=17 сек - время запаздывания объекта,

Т=50 сек - постоянная времени объекта.

2.7.2 Расчет оптимальных настроечных параметров регулятора

Как уже было сказано передаточная функция объекта имеет вид:

Выбор закона регулирования, в соответствии с которыми функционирует регулятор, продиктован качеством переходного процесса.

где Кр - коэффициент передачи регулятора,

Ти - время изодрома, с.

Рассчитывается и строится АФХ объекта регулирования по каналу «регулирующее воздействие - регулируемая величина».

Расчет амплитудно-фазовых характеристик с применением ЭВМ выполняем следующим образом. АФХ представляется в виде:

Для объекта регулирования с передаточной функцией (2.7.1) вещественная и мнимая составляющие числителя и знаменателя (2.7.3) равны

Вещественная и мнимая части АФХ объекта

Амплитудно-частотная характеристика

Передаточная функция замкнутой системы имеет вид:

Отсюда характеристическое уравнение замкнутой системы

Подставляя сюда значение , получим уравнение границы устойчивости автоматической системы в общем виде

 

Здесь - вещественная и мнимая частотные характеристики регулятора. Определяем последние из передаточной функции (2.7.2)

Подставив эти значения в (2.5.10) и выполнив необходимые преобразования получаем расчетные формулы для определения границ устойчивости Кр и .

Для определения пар настроек регулятора Кр и , обеспечивающих m=const, подставляя значение  в передаточные функции (2.5.1) и (2.5.2) находим расширенные АФХ объекта и регулятора в виде составляющих .

В частном случае m=0 формулы (2.7.14) совпадают с формулами (2.7.13).

Выбор оптимальных настроечных параметров и на линии равной степени затухания (см. рисунок 6) производят из условия минимума принятого критерия качества. Из практики расчетов известно, что точка, соответствующая оптимальным значениям и , лежит несколько правее максимума линии равного затухания.

Рис.10 . Линии равной степени затухания для m=0, m=0,366

2.7.3 Построение переходного процесса

Система стабилизации температуры, состоит из объекта с передаточной функцией (2.7.1) и регулятора (2.7.2), уравнение которого в дифференциальной форме имеет вид:

 

где  - отклонение регулируемой величины;

 - величина управляющего воздействия.

Расчеты показали, что оптимальными являются настройки регулятора = 0.69 и = 0,0239.

Для исследования динамических характеристик системы стабилизации температуры построим кривую переходного процесса. Уравнение апериодического звена первого порядка с запаздыванием в дифференциальной форме имеет вид:

где  - входная величина объекта с учетом времени запаздывания - ;

 - выходная величина объекта.

Так как в замкнутой системе выходная величина регулятора является входной величиной объекта, т.е.

то, учитывая (2.7.16) и (2.7.17)

Для определения m(t) приведем уравнение расчета управляющего воздействия для ПИ закона регулирования (2.7.15) к виду, удобному для численного интегрирования на ЭВМ:

где Dt - шаг интегрирования;

Выходная величина объекта определялась численным интегрированием дифференциального уравнения (2.7.18).

Рис.11. Кривая переходного процесса по каналу «разряжение в печи - число оборотов дымососа»

Как видно из рисунка показатели качества переходного процесса = 0.69 и =0,0239 вполне удовлетворяют практическим потребностям производства.

2.8 Разработка АСУТП плавки в печи Ванюкова

Полученные в п.п. 2.4, 2.5 и 2.6 результаты исследований по синтезу подсистемы оптимального управления, экспертной системы и подсистемы стабилизации разряжения под сводом печи легли в основу проектирования АСУТП процессом плавки шихты в печи ПВ.

Для нормального функционирования АСУТП и в соответствии с ГОСТами необходимо разработать техническую документацию, включающую в себя следующие элементы: информационное обеспечение АСУТП, организационное обеспечение АСУТП, алгоритмическое и программное обеспечения АСУТП, техническое обеспечение АСУТП.

2.8.1 Информационное обеспечение АСУТП

Выбор структуры и состава информационного обеспечения системы основан на обработке данных технологического процесса с применением средств вычислительной техники и разработки единой системы классификации и кодирования исходной информации.

Информационная база разрабатываемой системы состоит из внутри-машинной и вне-машинной информационных баз.

Внутри-машинная база представляет собой совокупность массивов (файлов) данных, размещаемых частично в ОЗУ, частично во ВЗУ (ОЗУ - оперативно-запоминающее устройство; ВЗУ - внешне-запоминающее устройство) (на гибких дисках) и включает:

нормативно-справочные файлы образует в совокупности норматив-ную базу, представляющую собой систему технически обоснованных нормативов и справочных данных, характеризующих количественную меру различных элементов технического процесса ПЖВ;

информационные файлы предназначены для записи и хранения оперативной информации;

систему кодирования информации, являющуюся формализованным языком для ввода и обработки данных на ЭВМ.

Вне-машинная информационная база представляет собой совокупность данных, являющихся исходным при решении задач по управлению технологического процесса включает:

научно-техническую информацию (книги, журналы, статьи и т.д.);

конструкторскую и технологическую документацию;

нормативно-технологическую документацию (стандарты, методичес-кие и руководящие технические материалы);

нормативно-справочную информацию (свойство материальных потоков, технологические коэффициенты, константы и т.д.);

входную информацию, полученную в результате непосредственно ручных замеров и подготовку операторским персоналом для ввода в ЭВМ;

выходную информацию которая формируется при решении задач и выводится в виде распечаток форм выходной документации.

Состав, структура и принципы организации информационного обеспечения Промышленная установка БГМК предназначена для изучения и освоения нового технологического процесса ПЖВ. как объект управления промышленная установка ПЖВ представляет собой технологический процесс со сложной взаимосвязью характеризующих его параметров. Для нормального функционирования установки необходимы контроль и регулирование большого числа параметров, значения которых определяют:

количество и состав перерабатываемого сырья, флюсов, топлива;

количество и состав входных продуктов плавки;

состояние объекта управления в целом и вспомогательного оборудования.

Основной целью создания информационного обеспечения является обеспечение возможности анализа состояния объекта управления и принятия управляющих решений в нормальных и экспериментальных ситуациях. Назначение информационной системы состоит в измерении значений контролируемых параметров, передачи этой информации к месту обработки, ее первичной обработки и представления в местах использования информации для решения задач управления технологическим процессом ПЖВ. Информационное обеспечение должно отвечать ряду требований:

своевременность доставки информации;

достоверность передачи (отсутствие потерь и искажений в каналах связи и обработки);

надежность функционирования информационной подсистемы;

единство времени в системе распределения информации при выдаче форм выходной документации в соответствии со временем опроса соответствующих датчиков;

возможность технической реализации.

Кроме того, состав и структура информационного обеспечения должны обеспечивать:

регулирование информационных потоков, обеспечивающее равномерную загрузку комплекса технических средств (КТС), а также своевременное представление информации обслуживающему и управленческому персоналу;

возможность расширения системы посредством включения новых систем и расширение существующей;

удобство участия человека в анализе ситуаций и управления технологическим процессом как в нормальных условиях, так и в аварийных ситуациях.

Состав информационного обеспечения представляет собой совокупность системы классификации и кодирования, системы показателей (перечень входных и выходных сигналов), систем документации массивов информации (файлов), используемые в системе управления.

а) Перечень входных сигналов: температура газов в окислительной зоне печи 800-1400 0С; температура газа в электроотстойнике 800-1300 0С; температура газа в штейновом сифоне над расплавом 0-1300 0С; температура газа в шлаковом переходе над расплавом 0-1300 0С; температура кладки печи 0-1300 0С; температура подины печи 0-1300 0С; давление газа на горелки, общее 0-0,3 кгс/см2; давление воздуха на горелки 0-1,0 кгс/ м2; разряжение газа в окислительной зоне печи - 20-0 кгс/м2; разряжение газа в восстановительной зоне печи перед камерой дожигания - 20-0 кгс/м2; разряжение газа в электроотстойнике - 20-20 кгс/см2; расход газа на горелку штейнового сифона 0-20 м3/с; расход газа на горелку шлакового перетока 0-20 м3/с; расход газа общий на горелки 0-100 м3/с; расход воздуха на горелки (Ргаза=0,3 атм) 0-1000 м3/с; расход воздуха на штейновую горелку 0-200 м3/с; расход воздуха на горелку шлакового перетока 0-400 м3/с.

б) Перечень выходных сигналов: регулирование расходом кислорода м3/с; регулирование расходом газа м3/с; регулирование расходом воздуха м3/с; регулирование расходом химводы на кессоне М; регулирование разряжением воздуха в газоходах кгс/м2; управление отсекающим вентилем газа на фурмы; управление отсекающим вентилем подачи газа на горелки; регулирование скоростью движения ленты питателя системы загрузки флюсов; регулирование скоростью движения ленты питателя системы загрузки топлива; регулирование скоростью движения ленты питателя системы загрузки шихты; регулирование скоростью движения ленты питателя системы загрузки угля; регулирование температуры газов перед электрофильтром, 0С; регулирование температуры газов перед рукавным фильтром, 0С.

2.7.2 Алгоритмическое и программное обеспечение АСУ ТП

В данном параграфе приведены алгоритмы и листинги программ, которые были разработаны автором при решении задач синтеза систем управления. Сюда не вошли алгоритмы расчета выходных переменных по математической модели, поскольку она не включена в состав АСУ ТП плавкой в ПВ.

Описание блок-схемы алгоритма поиска экстремума симплексным методом. В блок-схеме алгоритма поиска экстремума симплексным методом предусмотрено в качестве целевой функции использовать формулу выноса медного штейна с массой расплава.

По достижении области экстремума, когда все чаще будут производится неудачные шаги, в алгоритме предусмотрена возможность избежать зацикливания.

Для того чтобы устранить зацикливание, достаточно изменить размеры симплекса в сторону его уменьшения, что соответствует уменьшению шага спуска в районе оптимума, использующемуся и в градиентных методах.

Текст программы алгоритма поиска экстремума симплексным методом:

function simplexk(a,b,x11,x21,e1,e2,h)

[x,y]=meshgrid([-5:0.5:5])=x.^2/a.^2+y.^2/b.^2(x,y,gr)on=1;=10;(1)=x11(1)=x21(2)=x1(1)+0.9*h(2)=x2(1)+0.1*h(3)=x1(1)+0.1*h(3)=x2(1)+0.9*hi=1:3(i)=x1(i)^2/a^2+x2(i)^2/b^2=3;=1;rast>e1=s(1);=1;i=1:3s(i)>smax=s(i)=i=0;=0;i=1:3i~=k=r1+x1(i);=r2+x2(i);=r1/2;=r2/2;=A1-x1(k);=A2-x2(k);=1;=sqrt((x1(k)-A1)^2+(x2(k)-A2)^2)rast>e1flag==1(k)=A1+l*u1;(k)=A2+l*u2;(k)=x1(k)^2/a^2+x2(k)^2/b^2=n+1on(4)=x1(1);(4)=x2(1);(x1,x2)ons(k)<smax=0;=1;=l/2l<e2=x1(k)=x2(k)=s(k)=0;=0;=1;=x1(k)=x2(k)=s(k)

Алгоритм расчета параметров настройки регулятора

Алгоритм включает следующие предписания:

·   вводятся значения Коб, τоб,Тоб,m,w=0;

·   вычисляются значения вещественного и мнимого составляющего числителя и знаменателя передаточной функций объекта регулирования BR, BQ, AR, AQ;

·   вычисляются значения вещественной и мнимой части АФХ объекта Rоб, Qоб;

·   вычисляются значения настроечных параметров регулятора Кр, S и выводятся результаты;

·   дается приращение значению частоты w=w+0.005;

·   вычисления производятся для каждого нового значения частоты пока оно не равно 0,05;

·   выводятся результаты вычислений Кр, S, w.

По значениям Кр и S для каждого w [0:0.09,0.003] строятся линии равные степени затухания m=0, m=0.366 (см раздел по разработке системы стабилизации рис.9)и выбирается точка, соответствующая оптимальным значениям и , которая лежит несколько правее максимума линии равного затухания.

Рис Блок схема алгоритма нахождения значений настроек регулятора

Программа реализации данной блок-схемы на Matlab:

function tay(k,t,m,T,w)

n=1;

while w<0.09

Br=k*exp(t*m*w)*cos(t*w);

Bq=-k*exp(t*m*w)*sin(t*w);

Ar=1-T*m*w;

Aq=T*w;

R=(Br*Ar+Bq*Aq)/(Ar^2+Aq^2);

Q=(Bq*Ar-Br*Aq)/(Ar^2+Aq^2);

K=-(m*Q+R)/(R^2+Q^2);

S=-w*(m^2+1)*Q/(R^2+Q^2);

masK=K;

masS=S;

w=w+0.003;

n=n+1;

K

S

hold on

plot(masK,masS)

w

end

Kp=K

Sp=S

End

Алгоритм расчета переходного процесса

Алгоритм включает следующие предписания:

·   вводятся значения Коб,τоб,Тоб,Кр,Sр,Т,хвых,хзад,С=0,n=0;

·   вычисляется значение отклонения регулируемой величины Δхвых;

·   значение управляющего воздействия μ за время запаздывания τ объекта;

·   вычисляются значения управляющего воздействия μ и выходной переменной объекта хвых на каждом моменте времени до времени Т, пока установится процесс, т.е. значение выходной переменной не станет приблизительно равной значению хзад.

По результатам вычислений строится переходная характеристика процесса(см раздел по разработке системы стабилизации рис.10 ).

Рис. Блок-схема алгоритма расчета переходного процесса

Программа реализации данного алгоритма на Matlab:

function tay11(y,yz,p,dt,r)

a=[1:p];=3;=0.69;S=0.0238;=50;t=17;=0;i=1;i<=t=0;=y-yz;n<r=C+S*dy*dt;=n+1;(i)=-(C+K*dy);(i)=y=i+1;i=t+1:p=0;=y-yz;n<r=C+S*dy*dt;=n+1;(i)=-(C+K*dy);=0;n<r=1/T*(k*m(i-t)-y)*dt;=y+Dy=n+1;(i)=y=i+1;;;(a,y1)%,a,m)

2.7.3 Организационное обеспечение

Производственный персонал подразделением АСУТП включает ремонтную и эксплуатационную службы, организованные иерархическим образом с оперативной взаимосвязью служб на всех уровнях. Ремонтный персонал на нижнем уровне организуется в отдельные межсистемные группы по видам работ и видам технических средств, а именно группу ремонта, группу обслуживания УВК и группу математических методов и программирования.

Эксплуатационный персонал организован по технологическим участкам для контроля и управления технологическими процессами на верхних участках системы и подсистемы АСУТП и включает: оператора УВК; дежурного оператора КИП и А; группу участка ПЖВ; группу участка очистки газов; группу участка «кислородной станции»; персонал химлаборатории.

На следующем уровне организационной структуры выделен начальник, мастер-технолог смены, заведующий химлаборатории.

Два верхних уровня представлены начальником подразделения АСУТП, начальником металлургического цеха, которые оперативно связаны между собой для согласования работ по отдельным подразделениям с подчинением начальнику научно-исследовательского отдела (НИО), начальнику производственно- технического отдела (ПТО) и главному инженеру БГМК, причем административная иерархия НИО включает по уровням: начальника НИО, начальников подразделений АСУТП и начальников лаборатории, мастера КИП и А, начальника отделения теплотехники и начальника смены.

На нижнем уровне начальник УВК с подчинением ему группы математических методов и программирования, группы обслуживания УВК, группы ремонта, оператора УВК и дежурного оператора КИП и А.

Пункты оперативного управления. АСУ ТП ПУ ПЖВ работает в информационном режиме и осуществляет: централизованный сбор; переработку и представление информации в форме, максимально облегчающей оперативное управление технологическими процессами объекта; централизованный непрерывный контроль технологических параметров; сигнализацию, регистрацию отклонений заданных параметров и различных нарушений технологических процессов; централизованный непрерывный контроль сменных результатов работы; формирование и оперативную печать информации о ходе кампании; оперативное информационное обслуживание руководства завода и НИО.

Функции обязанности оперативного персонала. Оператор административно подчинен начальнику смены (инженеру-исследователю) и оперативно связан с мастером смены, начальником цеха и с заведующим отделения теплотехники и группы ПЖВ. Оператор выполняет следующие основные функции: поддерживает заданный сменным мастером технологический режим; осуществляет пуск, переключение режимов работы и остановки оборудования; контролирует выполнение производственной программы; осуществляет вызов интересующей его технологической информации; производит ввод с пульта оператора в УВК новых значений параметров технологического режима по указанию сменного мастера, начальника отдела теплотехники и начальника смены; ведет учет нарушений технологических режимов, выясняет причины нарушений; выявляет «узкие места» и принимает совместно со сменным мастером отделения оперативные меры по их немедленному устранению; обеспечивает формирование достоверной отчетной информации и регулярность подачи ее на верхние уровни.

Мастер смены - это высококвалифицированный специалист, хорошо знающий технологию ПЖВ.        Для нормальной работы в цехе целесообразно иметь сменных мастеров в составе четырех человек. В оперативном отношении сменный мастер подчиняется начальнику смены. Сменный мастер выполняет следующие основные функции: координирует работу участков установки и служб цеха; осуществляет внешнюю координацию работы установки ПЖВ; обеспечивает организацию межцеховых и внутрицеховых сырья и материалов; принимает решение при выборе оптимальных режимов работы участков и отдельных агрегатов; контролирует выполнение производственной программы; обеспечивает выполнение сменных суточных технологических заданий; обеспечивает формирование достоверной информации о работе ПУ ПЖВ; контролирует выполнение распоряжений руководства цеха и начальника смены работниками; в аварийных ситуациях всю полноту власти берет на себя.

Заведующий химлабораторией обязан: обеспечить своевременный отбор проб в соответствии с программой эксперимента; обеспечить своевременное проведение экспресс анализов и химанализов отборных проб; обеспечить формирование достоверной информации и своевременную передачу ее оператору УВК. В оперативном отношении заведующий химлаборатории подчиняется начальнику смены.

Начальник смены ПУ ПЖВ является инженер-исследователь. Непосредственным административным начальника инженера-исследователя является начальник лаборатории пирометаллургии. Начальник смены согласует свои действия с начальником цеха и заведующим отделения теплотехники. Основными функциями начальника смены являются: обеспечение и контроль выполнения программы эксперимента по участкам объекта; выявление причин отклонения режимов от расчетных; контроль работы сменных мастеров; оперативный анализ технологических показателей работы цеха; принятие необходимых мер по локализации аварий.

2.8.4 Техническое обеспечение АСУТП

Техническое обеспечение АСУТП должно обеспечить выполнение всех функциональных задач, поставленных в 2.6.4, 2.7, 2.8.1 и 2.8.2.

2.8.4.1 Выбор технических средств

В автоматизированной системе управления технологическим процессом плавки в жидкой ванне печи Ванюковав УК МК в качестве технической базы взят программируемый логический контроллер Simatic S7-400 с центральным процессором CPU 417-4. На нижнем уровне этой системы используются датчики, преобразователи, обеспечивающие сбор информации и ее преобразование в доступный для контроллера вид, а также различные вторичные приборы, служащие для отображения и регистрации информации о состоянии объекта управления в вид доступный для восприятия человеком-оператором.

В качестве технической базы управляющей части системы автоматизации выбран программируемый логический контроллер Simatic S7-400 с центральным процессором CPU 417-4. Контроллеры полностью отвечают требованиям концепции “Totally Integrated Automation”.

Модульные программируемые контроллеры Simatic S7-400 предназначены для решения задач автоматического управления средней и высокой степени сложности.

Simatic S7-400 выбран по следующим причинам:

·  Конфигурирование и программирование средствами STEP 7.

·        Возможность включения в сети MPI и SIMATIC NET.

·        Высокая вычислительнпя мощность, комплексный набор команд, наличие MPI интерфейса, способность работать в локальных

·        Возможность использования распределенных структур ввода-вывода и простое включение в различные типы промышленных сетей.

·        Удобная для обслуживания конструкция и работа с естественным охлаждением.

·        Свободное наращивание возможностей при модернизации системы.

·        Высокая мощность, благодаря большому количеству встроенных функций.

·        Конфигурирование и программирование средствами STEP 7.

Промышленное программное обеспечение SIMATIC является основой для разработки всех систем автоматического управления, созданных на базе изделий SI-MATIC. Это программное обеспечение предоставляет пользователю полный комплект инструментальных средств, необходимых для всех этапов разработки и эксплуатации системы управления. Программное обеспечение SIMATIC является интегрированным:

• Все данные проекта сохраняются в единой базе данных. Они могут вводиться только один раз, после чего становятся доступными для всех программных компонентов.

• Символьные имена, заданные в таблице символов, могут использоваться всеми инструментальными средствами.

• Управление всеми инструментальными средствами и компонентами проекта осуществляется централизованно.

Основу промышленного программного обеспечения SIMATIC составляет пакет STEP 7, работающий под управлением операционных систем Windows 95/ 98/ NT/ ME/ 2000 PROF/ XP PROF. STEP 7, в полной мере отвечает требованиям международного стандарта IEC 1131-3 и европейских норм DIN EN 6.1131-3.7 прост в применении:

• Многие операции, выполнявшиеся ранее вручную, теперь поддерживаются программным обеспечением.

• STEP 7 является преемником STEP 5. Программы могут разрабатываться на языках диаграмм лестничной логики (LAD), списка инструкций (STL), диаграмм функциональных блоков (FBD).

• Учет требований международных стандартов IEC 1131-3 и DIN EN 6.1131-3 облегчает изучение пакета и снижает затраты на подготовку персонала .417-4 характеризуется следующими показателями:

·  Микропроцессор высокой производительности: время выполнения двоичных операций не превышает 0.1 мкс.

·        Быстродействующее оперативное запоминающе устройство для выполнения секций программы пользователя объемом 4 Мбайт (2Мбайт для программ, 2Мбайт для данных).

·        Гибкое расширение: до 262144 дискретных или до 16384 аналоговых входов-выходов.

·        MPI интерфейс: встроенный MPI интерфейс позволяет создавать простейшие сетевые решения с подключением к сети до 32 станций. Скорость передачи данных до 12 Мбит/с. До 44 соединений на центральный процессор с MPI станциями или станциями, подключенными к внутренней коммуникационной шине (К-шине) контроллера.

·        Переключатель режимов работы (переключение с помощью ключа): выбор режимов работы центрального процессора и ограничние доступа к программе и данным пользователя.

·        Парольная защита: использование парольной защиты доступа к программе и данным.

·        Диагностический буфер: в буфере FIFO хранятся 120 последних сообщений об ошибках, отказах и прерываниях. Эта информация может считываться для анализа диагностической информации.

·        Встроенное обслуживание устройства человеко-машинного интерфейса: пользователь должен только определить источник и приемник информации для устройств человеко-машинного интерфейса; передача данных выполняется автоматически под управлением операционной системы центрального процессора.

·        Часы реального времени: диагностические сообщения центрального процессора могут сопровождаться отметками даты и времени.

·        Карта памяти: для работ программируемого контроллера S7-400 обязательно необходима карта памяти (RAM или FEPRОM). Карта памяти используется для расширения встроенной загружаемой памяти (RAM), в которой хранится программа пользователя и параметры настройки системы.

·        Встроенный интерфейс PROFIBUS-DР и комбинированный интерфейс MPI/ PROFIBUS-DР: интерфейс ведущего/ведомого (с операционнной системой от V3.0) DP-устройства, существенно упрощающий использование систем распределенного ввода-вывода. Обслуживание входов-выходов систем распределенного и локального ввода-вывода выполняется одними итеми же способами (одинаковые способы конфигурирования, адресации и программирования). Построение смешанных конфигураций PROFIBUS, отвечающих требованиям стандарта IEC 61158/EN 50170, и включающих в свой состав контроллеры SIMATIC S5, работающие под управлением ведущего контроллера SIMATIC S7.

·        Встроенные коммуникационные функции:

- PG/OP-функции связи.

Обмен глобальными данными.

Стандартные функции связи.

S7-функции связи.

·        Два разъема для подключения интерфейсных модулей IF 964-DP и получения дополнительных интерфейсов PROFIBUS-DР.

Технические данные

Технические данные

CPU 417-4

6ES7417-4XL00-0AB0

Версия

Аппаратуры 04

Операционной системы 3.0.0

Обязательное программное обеспечение STEP 5 V5.1 SP2 и выше

Память Рабочая память, RAM:

• встроенная, для хранения программ, не более 2.0 Мбайт

• встроенная, для хранения данных, не более 2.0 Мбайт

• расширение До 10 Мбайт для хранения программ, до 10 Мбайт для хранения

данных

Загружаемая память:

• встроенная 256 Кбайт, RAM

• карта памяти Flash-EEPROM, не более 64 Мбайт

• карта памяти RAM, не более 64 Мбайт

Сохранение данных при перебоях в питании:

• с буферной батареей Все данные

• без буферной батареи Нет

Время выполнения:

• логических операций 0.1 мкс

• операций со словами 0.1 мкс

• операций сложения чисел с фиксированной

точкой 0.1 мкс

• операций сложения чисел с плавающей точкой 0.6 мкс

Счетчики

S7 счетчики:

• общее количество 512 (C0 … C511)

• сохраняющих состояние при перебоях в питании

(конфигурируется/ по умолчанию) C0 … C511/ C0 … C7

• диапазон счета 1 … 999

IEC счетчики: Есть

• тип SFB

Таймеры

S7 таймеры:

• общее количество 512 (T0 … T511)

• сохраняющих состояние при перебоях в питании

(конфигурируется/ по умолчанию) T0 … T511/ нет

• диапазон выдержек времени 10мс … 9990с

IEC таймеры: Есть

• тип SFB

Данные

Общий объем данных, сохраняемых при перебоях в Вся рабочая и загружаемая

питании контроллера (включая флаги, таймеры и  память (при наличии буферной

счетчики) батареи)

Флаги:

• общее количество 16 Кбайт

(конфигурируется/ по умолчанию)

Количество тактовых битов 8 (1 байт)

Блоки данных (DB):

• количество, не более 8191 (DB0 зарезервирован)

• размер, не более 64 Кбайт

Объем локальных данных:

• конфигурируемый, не более 64 Кбайт

• по умолчанию 32 Кбайт

Блоки

Варианты выполнения программы (организационные

блоки):

• циклическое OB1

• прерывание по дате и времени OB10 … OB17, OB20 … OB23

• циклические прерывания OB30 … OB38

• аппаратные прерывания OB40 … OB47

• прерывания при достижении заданного состояния OB55

устройства (DPV1)

• прерывания при обновлении данных OB56

• специальные прерывания производителя OB57

• прерывания в мультипроцессорных системах OB60

• обработка асинхронных ошибок OB80 … OB87

• фоновое выполнение OB90

• рестарт OB100 … OB102

• обработка синхронных ошибок OB121, OB122

• максимальный размер блока 64 Кбайт

Адресное пространство ввода-вывода

Общее адресное пространство ввода/ вывода 16 Кбайт/ 16 Кбайт

• в том числе для системы распределенного вво- 2 Кбайт/ 2 Кбайт

да/ вывода MPI/DP порта

• в том числе для системы распределенного вво- Кбайт/ 8 Кбайт

да/ вывода DP интерфейса

Область отображения процесса: 16 Кбайт/ 16 Кбайт,

конфигурируется

• по умолчанию 1024 байт/ 1024 байт

• количество частичных изображений процессов,  8

не более

• объем консистентных данных, не более 244 байт

Дискретных каналов ввода/вывода: 131072/ 131072

• из них в системе локального ввода/вывода 131072/ 131072

Аналоговых каналов ввода/вывода: 8192/ 8192

• из них в системе локального ввода/вывода 8192/ 8192

Конфигурация

Количество базовых блоков/стоек расширения, не 1/ 21

более

Мультипроцессорные системы До 4 центральных процессоров

(в монтажных стойках UR1 или

UR2)

Количество интерфейсных модулей на базовый блок:

• общее, не более 6

• IM 460, не более 6

• IM 463, не более 6

Количество ведущих DP устройств:

• встроенных 2

• через интерфейсные субмодули IF964-DP 2

• через интерфейсные модули IM 467/IM 467 FO, 4

не более

• через коммуникационные процессоры, не более 10

Замечание IM 467 не может использоваться

с CP 443-5

Количество модулей S5, устанавливаемых в базовом 6

блоке с использованием адаптеров, не более

Максимальное количество функциональных модулей

и коммуникационных процессоров:

• функциональных модулей (FM) Определяется количеством

свободных разъемов системы и

количеством соединений

• коммуникационных процессоров (PPI связь) Определяется количеством

свободных разъемов системы и

количеством соединений

• коммуникационных процессоров (PROFIBUS, 14

Industrial Ethernet)

Время

Часы реального времени: Есть

• защита буферной батареей Есть

• разрешение 1 мс

• отклонение за один день:

− при отключенном питании 1.7 с

− при включенном питании 8.6 с

Количество счетчиков моточасов: 8

• диапазон счета 0 … 32767 часов

• разрешение 1 час

• сохранение значений при перебоях в питании Есть

Синхронизация по времени: Есть

• в программируемом контроллере Ведущий/ведомый

• в сети MPI Ведущий/ведомый

Функции S7-сообщений

Количество станций, регистрирующих S7-сообщения 16

(например, станций оператора), не более

Процедуры сканирования: Есть

• количество дополнительных значений на сооб-

щение

− с периодом опроса 100 мс, не более 1

− с периодом опроса 500 мс или 1000 мс, не 10

более

• количество сообщений:

− общее, не более 1024

− с периодом опроса 100 мс, не более 128

− с периодом опроса 500мс, не более 512

− с периодом опроса 1000 мс, не более 1024

Диагностические сообщения: Есть

• количество ALARM-S блоков, одновременно

находящихся в активном состоянии, не более 200

Отчеты об управлении процессом Есть

Блоки ALARM-8: Есть

• количество интерфейсов для блоков ALARM-8 и

блоков для S7-функций связи, не более 10000, конфигурируется

• по умолчанию 1200

Количество идентификаторов архивов, используемых

для одновременной регистрации данных 64

Функции запуска и тестирования

Коммуникационные функции

PG/OP функции связи Поддерживаются

Передача глобальных данных: Поддерживается

• количество пакетов глобальных данных:

− передаваемых, не более 16

− принимаемых, не более 32

• максимальный размер пакета глобальных дан-

ных: 64 байт

− из которых консистентных данных 32 байт

Базовые S7-функции связи: Поддерживаются

• объем данных пользователя на задание, не

более: 76 байт

− из которых консистентных данных 16 байт

S7-функции связи: Поддерживаются

• объем данных пользователя на задание, не

более: 64 Кбайт

− из которых консистентных данных 32 байт

Функции S5-совместимой связи: Поддерживаются (через

коммуникационные

процессоры и загружаемые

FC)

• объем данных пользователя на задание, не

более: 8 Кбайт

− из которых консистентных данных 240 байт

Интерфейсный субмодуль IF 964-DP

Интерфейсный сумодуль IF 964-DP

• Ведущее/ ведомое (в центральных процессорах с операционной

системой от V3.0) устройство PROFIBUS-DP.

• Скорость передачи данных 9.6 Кбит/с … 12 Мбит/с.

• Подключение через 9-полюсное гнездо соединителя D-типа.

• Установка 1 (CPU 414-3/ CPU 416-3) или 2 (CPU 417-4) интерфейсных субмодулей PROFIBUS в один центральный процессор.

Для выполнения функций контроля и управления процесса ПЖВ промышленная установка оснащена количеством датчиков технологических параметров. Наиболее важными параметрами для контроля хода технологического процесса является: температура, давление, разрежение, расход. Для измерения, контроля и регулирования, управления выбраны нижеуказанные датчики:

Термоэлектрические преобразователи предназначены для преобразования температуры твердых, жидких, газообразных и сыпучих веществ в унифицированный токовый сигнал.

Обеспечивают измерение температуры нейтральных и агрессивных сред, не разрушающих материал защитной арматуры. Используются в системах автоматического контроля и регулирования температуры на объектах энергетики, нефтяной, газовой, горнодобывающей и др. отраслей промышленности.

Измерительный преобразователь представляет собой печатную плату диаметром 43 мм, залитую с двух сторон компаундом, на которой размещены элементы электронной схемы. Измерительный преобразователь преобразует сигнал, поступающий с выхода первичного преобразователя в унифицированный токовый выходной сигнал, что дает возможность построения систем АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. Термопреобразователи устойчивы к воздействию вибрации (частота от 5 до 80 Гц, амплитуда смещения 0,075 мм, ускорение 9,8 м/с2).

Термопреобразователи устойчивы к динамическим изменениям напряжения питания:

глубине провалов минус 20% Unном при продолжительности изменения от 10мс до 5с;

прерыванию питания продолжительности изменения от 10мс до 10с.

Степень защиты от воздействия пыли и воды IP54 по ГОСТ 14254.

Обозн-е датчиков		Типы датчиков		Изм-е среды,особенности
ТПП 1788		ТПП-0192 ТПП-0192А		Окислительне и нейтральные газообразные среды; ТПП 0 ... 13000С, корпус без штуцера, D/d=30/20мм, сталь 12х18Н10Т, чехол КТВП, не герметичны. А - констрктивное исполнение D/d=14/8 мм
ТПР 1788		ТПР-0192 ТПР-0192А		Окислительне и нейтральные газообразные среды; ТПР 0 ... 16000С, корпус без штуцера, D/d=30/20мм, сталь 12х18Н10Т, чехол КТВП, не герметичны. А - констрктивное исполнение D/d=14/8 мм
ТПР 0573		ТПР-0492		Горячее доменное дутье, химически агрессивные среды; 300 ... 16000С; особопрочные
ТПР 1988		ТПР-0792		Водород, окись углерода, пары воды и высших водородов; 300 ... 16000С; особопрочные
ТХА-1087		ТХА-0496		Обжиговые печи огнеупорного производства, 0 ... 12000С, D/d=30/20мм; 15х25Т/КТВП, герметичны, конструкция неразборная
ТХА-1087		ТХА-0595,-01	ТХАс -1087	Взрывозащищеные (взрывонепроницаемая оболочка); жидкие и газообразные среды с содежанием аммиака, углекислого газа, сероводорода, ТХА 0 ...8000С
ТХК-1087		ТХК-0595,-01,-02	ТХКс -1087	Взрывозащищеные (взрывонепроницаемая оболочка); жидкие и газообразные среды с содежанием аммиака, углекислого газа, сероводорода, ТХК 0 .. 6000С
Тип и исполнение датчиков	Измеряемая среда			Конструктивные особенности, диапазоны температуры
ТППТ 01.06-Т45, 01.16-Т45, ТППТ (ТПРТ) 01.21-Кк	Для измерения температуры высокотемпературных газообразных химически неагрессивных сред, а также агрессивных сред, не разрашающих материал защитного чехла, для измерения температуры высокотемпературных жидких сред (до 1200С), и для расплавов металлов			Защитная арматура герметична. 0...+1300С для ТППТ01.01; 600...+1600С для ТПРТ01.01; 600...+1600С для ТПРТ01.21-Кк. Корпус головки - алюминиевый сплав, защитная арматура - сталь 15х25Т,диаметр-20мм, погружаемая часть защитной арматуры из боросилицированного графита БСГ-30, диам. - 42мм, термоэлектроды диам. - 3,2мм

Интеллектуальные датчики давления серии Метран-100. Датчики давления Метран-100 имеют следующие преимущества:

. Датчики серии Метран-100 - унифицированный модельный ряд
При разработке датчиков серии Метран-100 был унифицирован модельный ряд, в который вошли лучшие представители существующих датчиков давления Метран и исключено дублирование моделей по диапазонам измерений. Это позволяет облегчить выбор нужного датчика.

.Допускаемая основная погрешность - ±0,1%.

. Допускаемая основная погрешность сохраняется при перенастройке от Рмах до Рмах/10.

. Дополнительная температурная погрешность - от ±0,09% на 10°С. В датчиках серии Метран-100 воплотились высокая точность в сочетании с большим динамическим диапазоном, что особенно важно при решении задач коммерческого учета различных ресурсов, при эксплуатации в технологических процессах требующих высокоточных измерений (дозирование, контроль утечек, измерение уровня). Еще один немаловажный факт это то, что датчики серии Метран-100 изготавливаются серийно - это дает возможность Вам получать их быстро и в необходимом количестве.

. Метран-100 с опцией HART можно устанавливать вместо датчиков с обычным аналоговым выходным сигналом. Датчики Метран-100 с опцией HART, помимо интеграции в цифровые АСУ ТП, можно устанавливать и вместо датчиков с обычным аналоговым выходным сигналом, и с помощью коммуникационных устройств использовать все преимущества цифрового обмена уже в существующей аналоговой АСУ. При этом сохраняется полная совместимость и надежность аналоговых линий 4-20 мА.

. Метран-100 с опцией HART позволяет дистанционно считывать информацию, перенастраивать и тестировать датчик. Датчики Метран-100 с опцией HART позволяют дистанционно (с расстояния до 3000 метров) считывать информацию (значение измеряемого параметра, единицы и диапазон измерения, индивидуальные параметры прибора и др.), перенастраивать и тестировать датчики. Это особенно удобно, если датчики установлены в труднодоступных местах, на больших расстояниях друг от друга или в условиях вредных или опасных производств. Кроме того, датчик можно использовать для хранения записей о процедурах его обслуживания, например, о дате последней калибровки. Таким образом, оператор может настраивать практически все датчики на предприятии непосредственно со своего рабочего места.

. Метран-100 с опцией HART позволяет подсоединять к одной линии связи до 15 датчиков. Объединение интеллектуальных приборов в систему существенно снижает затраты на построение АСУ за счет сокращения расходов на кабельную продукцию и использования бесконтроллерных схем.

. Метран-100 оснащен встроенным фильтром радиопомех
Благодаря встроенному фильтру радиопомех Метран-100 имеет высокую электромагнитную совместимость (соответствует 4 группе исполнения по ГОСТ Р 50746-2000), что обеспечивает его стабильную работу при использовании рядом с датчиком или его линией связи мощных источников электромагнитных излучений (мобильной связи, тиристорных преобразователей, релейных устройств и т.д.).

. Метран-100 позволяет калибровать "нуль" нажатием внешней кнопки. С помощью внешней кнопки имеется возможность калибровать "нуль" не снимая датчик с объекта, без разгерметизации оболочки электронного преобразователя и без нарушения требований взрывозащиты, что весьма актуально во взрывоопасной или агрессивной среде. Эта операция может быть выполнена и дистанционно - по HART-протоколу.
10. В Метран-100 реализован режим защиты настроек от несанкционированного доступа. При использовании датчика для коммерческого учета, защита от изменения индивидуальных настроек прибора будет наиболее актуальна.

. Датчики серии Метран-100 с HART-протоколом обеспеченны комплексом средств коммуникации и специализированным программным обеспечением. Для обеспечения взаимодействия с HART-устройствами производства ПГ "Метран" и других производителей, мы предлагаем полную гамму средств коммуникации и специализированное ПО собственного производства: портативный HART-коммуникатор, HART-модем, HART-мультиплексор, программы Н-master и MUX-master.

. Для датчиков серии Метран-100 предлагается расширенная номенклатура КМЧ. Для датчиков серии Метран-100 предлагается расширенная номенклатура КМЧ, теперь, например, низкопредельные датчики Вы сможете смонтировать на трубе Ø50 мм.

Интеллектуальные датчики давления серии Метран-100 предназначены для измерения и непрерывного образования в унифицированный аналоговый токовый сигнал и/или цифровой в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS485 следующих входных величин:

избыточного давления (Метран-100-ДИ);

абсолютного давления (Метран-100-ДА);

разрежения (Метран-100-ДВ);

давления-разрежения (Метран-100-ДИВ);

разности давлений (Метран-100-ДД);

гидростатического давления (Метран-100-ДГ).

Управление параметрами датчика:

·        кнопочное со встроенной панели;

·        с помощью HART-коммуникатора или компьютера;

·        с помощью программы ICP-Master и компьютера или программных средств АСУТП.

Встроенный фильтр радиопомех.

Внешняя кнопка установки «нуля».

Непрерывная самодиагностика.

Непрерывная самодиагностика обеспечивает контроль работы датчика и формирует сообщение при возникновении неисправностей.

Установка «нуля» датчика выполняется нажатием внешней кнопки без разгерметизации корпуса электронного преобразователя и без нарушения требований взрывозащиты. Это особенно важно для датчиков во взрывозащищенном исполнении, т.к. нет необходимости демонтажа и выноса датчика из взрывоопасной зоны.

В режиме измерения на дисплее ЦИ датчиков с кодом МП1, МП3, МП5, на дисплее ВИ, HART-коммуникатора, персонального компьютера отображается текущее значение измеряемого давления (для ДИВ - с учетом знака) в выбранных единицах измерения (Па, кПа, МПа, кгс/см2, кгс/м2, % от установленного диапазона измерений). ЦИ полностью сохраняет свою работоспособность в диапазоне температур окружающего воздуха от -40 до 700С.

Измеряемые среды: жидкости, пар, газ, в т.ч. газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси.

Диапазоны измеряемых давлений:

·  минимальный 0-0,04 кПа;

·        максимальный 0-100 МПа.

Основная погрешность измерений

до ±0,1% от диапазона

Диапазон перенастроек пределов измерений до 25:1.

Исполнения по ГОСТ 12997:

·  обыкновенное;

·        взрывозащищенное (Ех, Вн)

Для эксплуатации на АС

Межповерочный интервал - 3 года.

Гарантийный срок эксплуатации - 3 года.

Типы, модели датчиков, пределы измерений приведены в табл.2.1.1

Тип датчика	Модель	Pmin, кПа		Pmax, кПа			Ряд верхних пределов измерения, Pi, кПа
		АП	МП	Разр.		Изб.дав
Датчики разрежения (ДВ)
Метран-100-ДВ	5210	0,06	0,06	0,4			0,40; 0,25; 0,16; 0,10; 0,06; 0,04
Датчики давления-разрежения (ДИВ)
Метран-100-ДИВ	5320	0,125	0,5	0,125	0,125		0,05; 0,08; 0,125; 0,2; 0,3; 0,315; 0,5; 0,8; 1,25
Датчики избыточного давления (ДИ)
Метран-100-ДИ	1110	0,06	0,06		0,4		0,06; 0,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4

Многопараметрический датчик - массовый расходомер модели 3095MV. В отличие от традиционных расходомеров на сужающем устройстве датчик модели 3095 MV проводит измерение массового расхода по методу полной компенсации, который учитывает динамические изменения параметров среды - температуры, давления, а также такие переменные в уравнении расхода, как плотность, вязкость, сжимаемость или расширение газа. Встроенный процессорный блок датчика обеспечивает также выполнение функции «интеллектуального» устройства и позволяет:

·    скорректировать собственную нелинейность и воздействие внешних влияющих факторов;

·        проводить самодиагностику прибора;

·        осуществлять дистанционную перенастройку диапазонов измерений.

Использование датчика в составе АСУТП освобождает ресурсы системы, в частности, память, используемую для хранения алгоритма вычисления расхода, и время, затрачиваемое на это вычисление.

Использование одного датчика 3095 MV вместо четырех традиционных обеспечивает снижение затрат на установку и уменьшение стоимости эксплуатации.

Объединение в одном компактном недорогом устройстве таких функций, как многопараметрические измерения, сложные расчеты расхода, самодиагностика и других делают датчики расхода модели 3095 MV идеальным решением для измерений расхода с использованием различных типов сужающих устройств.

Основные технические параметры

Смещение нуля Смещение нуля может быть установлено в допустимых пределах сенсора на любую величину, пока полная шкала больше или равна минимально допустимой шкале, нижнее значение диапазона не выходит за нижнюю границу диапазона, верхнее значение диапазона не превышает верхнюю границу диапазона. Пределы перезагрузки от 0 до удвоенного диапазона сенсора, но не более 25000кПа.

Пределы статического давления. Работает с техническими характеристиками при статическом давлении в линии от 3,45 кПа до верхней границы диапазона сенсора абсолютного давления.

Демпфирование. Пользователь может установить время отклика на входной ступенчатый сигнал в пределах от 0 до 30 с. для одной постоянной времени. Это время добавляется к времени отклика сенсора 0,2с. Выходные сигналы:

·    Унифицированный токовый 4-20мА соответствует одному из параметров: перепаду давлений, абсолютному давлению, температуре процесса или массовому расходу (при использовании датчика 3095 MV совместно с преобразователем сигналов HART Tri-Loop-4 токовых сигналов 4-20 мА,, представляющих каждый из указанных параметров).

·        Цифровой сигнал на базе HART-протокола накладывается на токовый сигнал и воспринимается любым устройством, поддерживающим протокол HART.

Сигнализация аварийного режима

Если программа самодиагностики обнаружит неисправность датчика, аналоговый сигнал устанавливается либо ниже 3,75 мА, либо выше 22 мА для оповещения пользователя. Выбор высокого или низкого уровня выходного сигнала аварийного режима производится пользователем путем установки перемычки.

Модель	Код	Диапазоны абсолютного/избыточного давления
3095MV	4	от 0-250 до 0-25000 кПа

Радарный уровнемер. Радарный уровнемер SITRANS LR-400 предназначен для измерения уровня сыпучих сред и жидкостей. Благодаря применении. частоты излучения 24ГГц, специальной FMCW (Frequency Modulated Continuos Wave) технологии обработки сигнала и интеллектуальному модулю управления возможно точное измерение уровня, устранение помех, самокалибровка и автоматический пуск.

Выходные сигналы: 4…20 мА (HART) реле граничных значений, вариант с PROFIBUS PA. Вариант исполнения с взрывонепроницаемым корпусом позволяет устанавливать расходомер во взрывоопасных зонах, существует вариант для измерения в зоне 0. Точность измерения в диапазоне до 15 м - 5 мм, до 45 м - 15 мм, диапазон температур - 40 ..2500, диаметр крепежных фланцев DN50-80-100-150, давление PN40 или PN64.

При измерении уровня в запыленных атмосферах имеется возможность снять излучатель без демонтажа крепежа для очистки.

Датчики положения SIMODRIVE. Область применения, структура

SIMODRIVE sensor - оптоэлектрические и пристраиваемые датчики для регистрации отрезков пути, углов поворота или числа оборотов. Они используются вместе с приводами и устройствами определения положения, например:

·  SIMOTION; системы Motion Control

·        SINUMERIK; системы ЧПУ

·        SIMATIC; программируемые системы управления

·        SIMODRIVE и SIMOVERT MFSTERDRIVES MC; приводные системы

Различают между инкрементальными и абсолютными процессами измерения.    Для инкрементальных датчиков после каждого отключения сети необходимо провести процедуру реферирования (выход в ноль) станка, т.к. после отключения питания движения станка не регистрируются. Абсолютные датчики, напротив, регистрируют эти движения механически, и после включения питания показывают действительную позицию. Процедура реферирования (выход в ноль) не нужна.

Датчики абсолютные бывают однооборотные и многооборотные. Датчики абсолютного значения (угловые кодирующие устройства) созданы по принципу считывания подобно инкрементальным датчикам, но обладают большим числом дорожек. Например, при 13 импульсных дорожках для однооборотных датчиков, кодируются 213=1892 шагов. Используемый код - одношаговый код Грея. Это позволяет обеспечить отсутствие ошибок считывания.

После включения станка значение позиции сразу же переносится в систему управления. Процедура реферирования не производится. Перенос данных между датчиком и системой управления происходит либо через синхронный последовательный интерфейс (SSI), EnDat или же через PROFIBUS -DP. SSI и EnDat имеют преимущества при критическом по времени использовании. При установках с большим числом датчиков PROFIBUS -DP выгоднее за счет сокращения затрат на монтаж. Датчики с PROFIBUS -DP параметрируются.

Однооборотные датчики разрешают один оборот (3600 механически) на определенное количество шагов, например, 8192. Каждой позиции приписано определенное кодовое слово. После 3600 значения позиции снова повторяются. Многооборотные датчики, в дополнение к абсолютному положению, в течение одного оборота регистрируют также число оборотов. Это обеспечивается за счет считывания других кодирующих дисков, связанных с валом датчика через шестерни передачи. При обработке 12 следующих импульсных дорожек дополнительно могут кодироваться 212=4096 оборотов. Учитывая все данные, выбран абсолютный датчик с интерфейсом PROFIBUS -DP S/R, многооборотные (24 бит) - 4096 шагов на оборот.

Электромеханическая цифровая система взвешивания. Технологические процесс требует наличия оборудования, позволяющего с высокой точностью автоматически осуществлять взвешивание и дозирование сырья, промежуточных продуктов переработки. Для этого выбрано, разработанное фирмой Siemens, компактные модули взвешивания SIWAREX U, которые с легкостью подключается к контроллерам семейства SIMATIC S5/S7.

Основные свойства SIWAREX U:

·  Интеграция в SIMATIC S7 как функциональный модуль;

·        Подключение к PROFIBUS -DP через ЕТ 200М;

·        Полный доступ к данным через SIMATIC;

·        два исполнения: с одной и двумя каналами;

·        Точность 0,05%;

·        Два последовательных интерфейса для удаленных индикаторов и подключения к компьютеру;

Параметрирование с использованием программного обеспечения под WINDOWS;

·  Возможна теоретическая настройка, без применения тарировочных весов;

·        Функции установки нуля, программных пределов,, цифровых фильтров;

·        Возможно искробезопасное применение;

·        Замена модуля без перекалибровки шкал.

Связь между SIWAREX и SIMATIC

Модули могут быть непосредственно установлены как элемент станции децентрализованной периферии ЕТ 200М подключены к устройствам SIMATIC S7-300/400. Последовательные интерфейсы:

·  RS 232C - для параметрирования модуля , а также для подключения к компьютеру;

·        TTY - для подключения до 4-х удаленных цифровых индикаторов.

Параметрирование и пуско-наладка осуществляется посредством программы SIWATOOL, работающей под WINDOWS., данные могут быть запомнены на магнитном носителе, распечатаны на принтере.

Развитые инструменты диагностирования позволяют провести диагностику модулей. Подключение ячееквзвешивания: к SIWAREX U могут быть подключены любые ячейки взвешивания. В случае параллельного подключения максимально 4-х ячеек взвешивания используется подсоединительный бокс (АК), при этом расстояние от ячейки до бокса менее 20 метров, между боксом и SIWAREX U не более 1000 м (предпочтительнее использование 6-ти проводной техники). Для подключения во взрывоопасных областях необходимо использовать промежуточный бокс (ZK).

Вычисление веса и юстировка производится каждые 100мс, причем значения располагаются в диапазоне от -32768 до +32767. Встроенный цифровой фильтр позволяет компенсировать колебания сигнала. используя две функции параметрируемых граничных значений можно быть запрограммировать реакцию систему, в том числе и реакцию по прерыванию.

Газоанализатор. В качестве газоанализатора выбран прибор фирмы Siemens, который используется в производстве во всем мире уже более 30 лет и известны своим качеством, надежностью и точностью. Измеряемые компоненты - O2, CO2, CO, SO2, NO, различные углеводороды и другие. Газоанализаторы поставляются не только отдельно, но и в составе системы, комплектуемой в соответствии с пожеланиями заказчика и включающей в себя пробоотбор, пробоподготовку, автокалибровку и другие.

.8.4.2 Описание функциональной схемы автоматизации

В данной схеме предусмотрен контур регулирования по каналу: «разряжение в печи - число оборотов дымососа», а также контроль температуры (в различных точках печи, в отстойнике) раствора и газа в газоходе на выходе из скруббера и в других точках газохода, давление отходящих газов из печи в различных точках газохода, регулирование количества отходящих газов в различных точках газоходной сети, контроль влажности загружаемых веществ, измерение концентрации кислорода, подаваемого с дутьем, и концентрации SO2 на выходе из печи.

Контроль температуры раствора в различных точках печи осуществляется первичными электрическими преобразователями для измерения температуры ТПР-0492 (поз.1а, 2а, 3а, 4а, 5а, 6а), затем преобразовывая в унифицированный сигнал поступает в AI контроллера Simatic S7-400 типа CPU 417-4.

Регулирование расхода выбран многопараметрический датчик - массовый расходомер модели 3095MV (поз. 7а), затем для управления расхода сигнал поступает с выхода дискретных сигналов DO контроллера Simatic S7-400 типа CPU 417-4 через реверсивный пускатель (поз. 7б) на исполнительный механизм (поз. 7в).

Для контроля влажности загужаемых веществ в воронках выполняется первичным измерительным преобразователем влагомера, установленный по месту (поз. 9а), затем сигнал поступает на прибор для измерения влажности показывающий (поз. 9б), после на прибор с дистанцинной передачей (поз. 9в), далее преобразовывая в унифицированный сигнал поступает в AI контроллера Simatic S7-400 типа CPU 417-4.

Измерение концентрации кислорода, подаваемого с дутьем и концентрации SO2 на выходе из печи осуществляется прибором по месту газоанализатором (поз. 10а), затем сигнал поступает на прибор для измерения концентрации показывающий (поз. 10б), после на прибор с дистанцинной передачей (поз. 10в), далее преобразовывая в унифицированный сигнал поступает в AI контроллера Simatic S7-400 типа CPU 417-4.

Контроль температуры газов в газоходе при выходе из печи осуществляется первичными электрическими преобразователями для измерения температуры ТПР 0492 (поз. 11а), затем сигнал поступает на измерительные показывающие датчики температуры (поз.11б), после на приборы с дистанционной передачей (поз.11в), затем сигнал поступает в AI контроллера Simatic S7-400 типа CPU 417-4.

Регулируется разряжение газа на выходе из печи ПЖВ первичным преобразователем для измерения давления-разряжения серии Метран-100-ДИВ типа 5320, (поз. 12а), затем для управления разряжения сигнал поступает с выхода дискретных сигналов DO контроллера Simatic S7-400 типа CPU 417-4 через реверсивный пускатель (поз. 12б) на исполнительный механизм (поз. 12в).

Контроль давления перед скруббером окислительной зоны производится датчиком давления-разрежения Метран-100-ДИ типа 1110 (поз. 13а), затем сигнал поступает на измерительный датчик давления показывающий (поз. 13б), после на приборы с дистанционной передачей (поз. 13в), затем сигнал поступает в AI контроллера Simatic S7-400.

Контроль температуры перед рукавным фильтром измеряется датчиками температуры типа ТПР-0492 (поз. 19а), затем сигнал поступает на измерительные показывающие датчики температуры (поз. 19б), после на приборы с дистанционной передачей (поз.19в), затем сигнал поступает в AI контроллера Simatic S7-400.

Контроль температуры газа после выхода из скруббера осуществляется датчиком температуры типа ТХА-1087 (поз. 14а), затем сигнал поступает на измерительный показывающий датчик температуры (поз. 14б), после на прибор с дистанционной передачей (поз. 14в), затем сигнал поступает в AI контроллера Simatic S7-400.

Контроль давления перед электрофильтром измеряется датчиком давления типа Метран-100-ДИ типа 1110 (поз. 15а), затем сигнал поступает на измерительный датчик давления показывающий (поз. 15б), после на приборы с дистанционной передачей (поз. 15в), затем сигнал поступает в AI контроллера Simatic S7-400.

Контроль расхода газа после скруббера осуществляется многопараметрическим датчиком - массовым расходомером модели 3095MV (поз.16а), затем сигнал поступает на прибор для измерения расхода показывающий (поз. 16б), после на прибор с дистанцинной передачей (поз. 16в), далее преобразовывая в унифицированный сигнал поступает в AI контроллера Simatic S7-400 типа CPU 417-4.

Для регулирования числа оборотов дымососа выбран датчик положения Simodrive фирмы Siemens (поз. 17а), затем для управления числа оборотов дымососа сигнал поступает с выхода дискретных сигналов DO контроллера Simatic S7-400 типа CPU 417-4 через реверсивный пускатель (поз. 17б) на исполнительный механизм (поз. 17в).

Контроль давления газа после электрофильтра осуществляется датчиком давления типа Метран-100-ДИ типа 1110 (поз. 18а), затем сигнал поступает на измерительный датчик давления показывающий (поз. 18б), после на прибор с дистанционной передачей (поз. 18в), затем сигнал поступает в AI контроллера Simatic S7-400.

Контроль расхода газа после электрофильтра осуществляется многопараметрическим датчиком - массовым расходомером модели 3095MV (поз.19а), затем сигнал поступает на прибор для измерения расхода показывающий (поз. 19б), после на прибор с дистанцинной передачей (поз. 19в), далее преобразовывая в унифицированный сигнал поступает в AI контроллера Simatic S7-400 типа CPU 417-4.

Для контроля уровня загружаемых веществ выбран радарный уровнемер SITRANS LR-400 (поз.20а), затем сигнал поступает на прибор для измерения уровня показывающий (поз. 20б), после на прибор с дистанцинной передачей (поз. 20в), далее преобразовывая в унифицированный сигнал поступает в AI контроллера Simatic S7-400 типа CPU 417-4.

3. РАСЧЕТ ЭкономическОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

.1 Обоснование экономической эффективности от внедрения АСУТП ПВ

При создании АСУТП ПЖВ предполагается следующий состав подсистем:

·    централизованного контроля и сигнализации;

·        управления;

·        диспетчерского управления;

·        документоотбора.

Результаты внедрения АСУТП способствуют:

а) увеличение дополнительного выпуска продукции на 2-3 процента, за счет сэкономленного времени и ресурсов, извлечение меди повышается на 1-3 процента и снижаются абсолютные потери меди со шлаком путем расчета и подготовки шихты оптимального состава, а также стабилизации режима плавки подготавливаемой шихты (по расходу кокса и кислорода);

б) снижение величины основных фондов;

в) снижение себестоимости продукции.

Разработка системы автоматизации ПЖВ дает возможность уменьшить величину транспортного запаздывания подготавливаемой шихты, угля к печи, выпуск штейна, шлака.

Основной задачей при управлении процессом плавки в жидкой ванне является создание такой системы автоматизации, которая бы позволяла добиться максимальной производительности печи при определенных заданных параметрах процесса.

Внедрение данной системы повышает технико-экономические показатели, позволяет снизить затраты на эксплуатацию и ремонт основного технологического оборудования, так как новая система регулирования позволяет обеспечить работу оборудования в строго заданном режиме, тем самым, предупреждая возникновение аварийных ситуаций и увеличивая время межремонтного периода.

За счет внедрения АСУТП: относительная экономия заработной платы, за счет высвобожденных рабочих, прирост прибыли (экономия от снижения себестоимости продукции), относительная экономия материальных ресурсов.

Заработная плата разработчиков с отчислениями на социальные нужды.

Таблица3.1.1 Количество и зарплата обслуживающего персонала.

№	Должность	Кол-во	Мес.	Срок.мес.	Общая, тг	Инженер-системотехник	2	55000	3	330000
2	Инженер-проектировщик	2	65000	2	260000
ИТОГО	Собщ	4	120000	5	590000

. Зразр. с отч. = (Собщ -( Собщ ∙Нп/100%))*Нс*100%+ Собщ.

где Нп - налог в пенсионный фонд, Нс - налог на социальные нужды

З/п=(590000-59000)∙0,21+590000=701510 тг.

Затраты на приобретения вычислительного комплекса SIMATIC CPU S7 400-417-4 и дополнительных приборов.

В автоматизированной системе управления технологическими процессами в ПЖВ применяется вычислительный комплекс SIMATIC CPU S7 400-417-4 .

Таблица3.1.2

Наименование приборов	Тип	Количество	Стоимость, тыс. тг
			единицы	общая
1. SIMATIC CPU S7 400 2. Термоэлектрический преобразователь 3. Датчик давления 4.Расходомер 5.Уровнемер 6. Влагомер 7. Датчик положения 8.Газоанализа тор 7. Компактные модули взвешивания 8. Пускатель реверсивный 9. Пакетный переключатель 10. Шинный модуль, блоки питания, кабели 11. Модули аналоговых и дискретных сигналов 12. Панель визуализации 13.Персональный компьютер ИТОГО:	417-4  ТХА, ТХК Метран Метран-100 Метран 3095MV SITRANS LR-400 П-МК Энергопромавтоматика  SIMODRIVE  Sitrans SIWAREX U  Sitrans  Siemens ТП-170 Intel Pentium IV 3000/512Mb/160Gb/XP	1  8 4 3 1 1 1  1 1  1 2  4  4   1	243,0  11,5 41,86 104,65 165,9 14,75 40,49  225,48 103,964  16,7 1,7  478  150 95,0  125	243,0  92 167,44 313,95 165,9 14,75 40,49  225,48 103,964  16,7 3,4  478  600 380  125 3145,364

. Всего затраты на комплекс и приборы локальной автоматики составляют: 3145364 тг. Затраты на вычислительный комплекс 1826000. Затраты на приобретение комплектующих АСУТП составляет 1144074 тг.

Капитальные затраты на неучтенное оборудование рассчитываем, исходя из 5% от общей стоимости:

Кпр.об.=КАСУТП ∙0,05= 1144074∙0,05=57203,7 тг.

Общая стоимость капитальных затрат:

Коб= Кпр.об+ КАСУТП=57203,7 +1144074=1201277,7 тг.

Затраты на монтаж оборудования составляют 25% от стоимости капитальных затрат:

Кмонт.= Коб1201277,7 ∙0,25=300319,43 тг.

Итого капитальные затраты на создание системы управления составят:

Кв= Коб+ Кмонт+Зразр. с отч.=

,7+300319+701510=2203107,13тг.

. Затраты на эксплуатацию АСУТП.

а) Амортизационные отчисления на вычислительный комплекс составляют 10% от стоимости самого комплекса:

(1826000*10)/100=182600 тг.

б) Амортизационные отчисления на приборы низовой автоматики (ПНА) составляют 12%:

(1144074*12)/100=137288,88 тг.

Общие амортизационные отчисления на вычислительный комплекс и приборы низовой автоматики:

Ао=182600 +137288,88 =319888,88 тг.

4.       Затраты на текущий ремонт вычислительного комплекса и средств автоматизации составят 5% от величины капитальных затрат на создание системы управления:

Зт.р.=(Кв∙5)/100=(2203107,13∙5)/100=110155,36 тг.

. Затраты на содержание оборудования системы управления.

Величина затрат на содержание оборудования системы управления составляет 3,5% от капитальных затрат на создание системы управления:

Зс.о=(Кв∙3,5)/100=(2203107,13∙3,5)/100=77108,75тг.

Затраты на электроэнергию потребляемой вычислительным комплексом:

Зэл.=У1*ц*Тф*Ки∙n, где

У1 - мощность электроэнергии, потребляемой вычислительным комплексом и средствами автоматизации:

У1=11кВт.

ц - цена 1кВт*ч электроэнергии

ц=6,2 тг

Тф - фонд рабочего времени в сутки.

Тф=8 часов.

Ки - коэффициент использования оборудования по времени равен 0,975

n -количество управляющих комплексов

Зэл.=11*8*0,975∙1=85,8 кВт.ч/сутки

Зэл.год=85,8∙365=31317 кВт.ч

Для установки 1 кВт.ч стоит 6,2 тг, тогда зтраты на электроэнергию составят:

Зэл.общ.=Зэл.год∙6,2=313170∙6,2=194165,4 тг.

Организация труда и заработная плата обслуживающего персонала управляющего вычислительного комплекса и КИПиА.

В таблице2 приведен баланс рабочего времени на одного рабочего.

Таблица3.1.3

№	Показатели	Непрерывное производство, 7 час. Рабочий день, 8 час. Смены, 4-х бриг. граф.
1  2 3  4 5         6  7  8	Число календарных дней, Тк число выходных и нерабочих дней согласно графику сменности номинальный фонд рабочего времени Тн, дни То же в часах Невыходы на работу по причинам, дни: а) очередные и дополнительные отпуска б) по болезни в) выполнение государственных и общественных обязанностей г) отпуска учащимся Итого невыходов: Эффективный фонд рабочего времени ТЭФ, дни Использование номинальных раб. Времени, % Полезный фонд времени одного работника, час	365  112  365-112=253 53*7,57=1915,21  24 4 1 1  30 253-30=223   223/253*100=88,14    223*7,59=1692,57

Расчет годового фонда основной заработной платы для обслуживающего персонала Таблица 3.1.4

№	Должность	Количество	Мес. оклад, тг	На спец-ть в месяц
1	Начальник КИП и А	1	70000	70000
2	Инженер КИП и А	2	60000	120000
3	Инженер-электронщик	2	55000	110000
4	Дежурный оператор	6	35000	210000
Итого		11	220000	510000

Годовой фонд основной заработной платы на обслуживающий персонал составит:

ГФЗП=12∙Фм=510000∙12=6120000 тг.

где Фм - месячный фонд заработной платы обслуживающего персонала, тг.

Кроме основной заработной платы существует дополнительная плата, которая выплачивается за работу в ночное время и работу в праздничные дни.

Учитываем премиальные, которые составляют 10% от заработной платы.

Годовой размер премиальных составит:

ГР.Пр.= ГФЗП∙0,1= 6120000∙0,1=612000 тг.

Годовой фонд заработной платы с учетом районного коэффициента составит:

ГФЗП.РК=ГФЗП∙1,2=6120000∙1,2=7344000 тг.

Общий фонд заработной платы составит:

ОФЗП= ГР.Пр+ ГФЗП.РК=612000+7344000=7956000 тг.

Общий фонд заработной платы с отчислениями составит:

Зразр.с отч=(ОФЗП-(Нп/100%∙ ОФЗП))∙Нс/100%+ ОФЗП=(7956000-(0,1∙7956000))∙0,21+7956000=9459684 тг.

3.2 Расчет экономической эффективности и срока окупаемости АСУТП ПЖВ

По данным, имеющимся до внедрения системы автоматизации на данной установке себестоимость составила Ссеб.стар=1350 тенге за тонну.

Объем выпуска продукции до внедрения АСУТП составлял 10000т/год

Эксплуатационные расходы после автоматизации системы:

Эрасх.=Ао+Зт.р+Зо.с.+Зэл.+Зразр.с отч.

где Ао - общие амортизационные отчисления на вычислительный комплекс и приборы низкой автоматики, тг;

Зт.р. - затраты на текущий ремонт средств автоматики, тг;

Зс.о. - затраты на содержание оборудования ситемы управления, тг;

Зэл. - затраты на электроэнергию, тг;

Зразр.с отч. - общий фонд заработной платы с отчислениями, тг;

Эрасх.= 319888,88 + 110155,36 + 77108,75 + 194165,4 + 9459684=10161002,39

Изменение удельной себестоимости при внедрения новой системы:

Ссеб.нов.=Эрасх./Qн=10161002,39/10000=1016,1тг.

Экономия за счет уменьшения себестоимости продукции:

Э=(Ссеб.стар-Ссеб.нов)∙ Qн=(1350-1016,1)∙10000=3339000 тг.

Экономический годовой эффект от внедрения системы автоматического управления определяется по формуле:

Эг=Э-Ен∙Кв

где Эг - экономия за счет увеличения производства за год, тенге;

Ен - нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений на внедрение вычислительной техники принимается на уровне действующих в отрасли, а при отсутствии отраслевых нормативных коэффициентов принимается равным 0,3.

Эг= 3339000-0,32∙2203107,13=2634005,72тг.

Срок окупаемости рассчитываем по формуле:

Токуп=Кв/Эг=2203107,13/2634005,72=0,8 года

4. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОхранЕ труда И ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

Охрана труда - система законодательных актов, социально-экономических, организационных, технических, гигиенических, лечебно-профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность хранения здоровья и работоспособности человека в процессе труда. Процесс плавки в жидкой ванне связан с высокими температурами (до 16000С), применением электродвигателей, насосов с электрическим приводом.

Из вышеперечисленного можно сделать вывод, что данное производство является опасным и требует строгого соблюдения норм техники безопасности и производственной санитарии.

Можно особо выделить следующие опасные факторы и вредности:

·    Электрический ток - оказывает вредное механическое, тепловое и физиологическое воздействие на организм человека;

·        Пыль, содержащая 70% SO2, пыль металлов и их неорганических соединений - производит вредное воздействие на дыхательную систему;

·        Газ производит вредное воздействие на дыхательную систему (SO2, СО2, СО);

·        Шум и вибрации - ухудшают самочувствие работающих, способствует приобретению профессиональных болезней;

·        Повышенная температура (170-220 0С) - ухудшает самочувствие работающих.

4.2 Организационные мероприятия

В целях обеспечения благоприятных условий труда в цехе предусмотрен ряд организационных мероприятий.

Ответственным за состояние охраны труда и безопасность работы в цехе является начальник цеха. Главный механик и энергетик отвечают за исправное состояние электрических вентиляционных установок, контрольной аппаратуры. Мастер цеха проводит в установленные сроки инструктаж рабочих по соблюдению безопасных методов работы, следит за выполнением работающими правил и инструкций по технике безопасности и производственной санитарии, правил внутреннего трудового распорядка, за использованием спецодежды и защитных приспособлений, а также за работой санитарно-гигиенических установок, чистотой и порядком. Мастер также участвует в расследовании причин несчастного случая и профессиональном управлении, в разработке мероприятий по устранению причин и предупреждению несчастных случаев.

На металлургических предприятиях существуют отделы техники безопасности, основными задачами которых являются: в отношении работающего оборудования - проверка безопасности эксплуатации, качества контроля и ремонта; в отношении персонала - обеспечение технической информации, инструктаж и пропаганда.

Все ИТР перед назначением на работу проходят аттестацию в общезаводской аттестационной комиссии в составе главного инженера, заместителя главного инженера по технике безопасности, начальника отдела техники безопасности, главного механика, главного энергетика, представителей правового отдела и отдела кадров.

Существует следующие виды инструктажа рабочего персонала: вводный инструктаж на рабочем месте, текущий инструктаж, повторный и оперативный. Также большое значение имеет пропаганда безопасных методов работы в вычислительном цехе. Проводятся лекции, беседы, посвященные мерам борьбы с травматизмом, вопросам гигиены труда и др.Пропаганда ведется в специальных стенгазетах, плакатах, которые развешиваются в созданных уголках по технике безопасности.

Работа по охране труда в цехе и на предприятий в целом планируется отделом безопасности и комитетом профсоюза.

4.3 Технические мероприятия

.3.1 Обеспечение электробезопасности

Широкое использование электрического тока придает вопросам безопасности использования важное значение, так как, воздействие электрического тока на организм может вызвать опасные последствия и даже привести к смерти.

По опасности поражения людей электрическим током металлургические предприятия относятся к 11 категории, это обусловливает применение электрооборудования в защищенном исполнении. В цехах работают электродвигатели высокого напряжения. Для защиты людей от поражения электрическим током предусмотрены: диэлектрические боты, перчатки, коврики.

Проведение ремонта электрических агрегатов разрешается лишь лицам, имеющим на это право.

Расчет защитного заземления

Корпуса приборов, аппаратуры КИП и другие металлические, части могут оказаться под напряжением вследствие повреждения электрической изоляции проводов, компонентов аппаратуры.

При случайном прикосновении человека к нетоковедущим частям, оказавшимся под напряжением, но заземленным, потенциал поражения не достигнет опасной для жизни величины.

Расчет заземления приводится на примере отдельно расположенного помещения с установленной аппаратурой АСУ и освещения. Максимальное линейное напряжение составляет 0,4 кВ, ток замыкания на землю около двух ампер, грунт - суглинок, климатическая зона - третья, естественные заземлители не используются.

Предполагается устройство заземления с расположением вертикальных электродов по внешнему периметру здания, в качестве, которых используем стальные стержни диаметром 15мм. и длиной 3м. К верхним концам электродов на глубине 0,7м. привариваются, горизонтальные электроды стержневого типа из той же стали. Решение сводится к следующему:

1)      согласно правил устройства электроустановок, электрическое сопротивление заземляющего устройства  не должно превышать 4 Ом, поэтому за расчетное принимаем -  = 3 Ом;

2)      предварительное расстояние между вертикальными электродами - 3м;

3)      сопротивление искусственного заземления при отсутствии естественного  =  = 3 Ом;

)        расчетное удельное сопротивление грунта с учетом пниматических коэффициентов для горизонтальных и вертикальных электродов соответственно:  = 273Ом × м

 = 105 Ом × м

5)      сопротивление растеканию одного вертикального электрода стержневого типа:

где: = 3 мм - длина одного электрода (вертикального);

= 0,7+1,5 = 2,2 м - глубина заполнения электрода;

d - Диаметр стержня;

 Ом;

) предварительное число вертикальных заземлителей

Где  = 0,73 - коэффициент использования заземлителей при отношении  к расстоянию между ними, равным единице; ;

) расчетное сопротивление растеканию горизонтальных электродов:

Где  = 0,77 - коэффициент использования;

 = 4×3 = 12м - предварительная длина горизонтальных электродов;

 = 0,7 м;

d = 15 мм - глубина заполнения и диаметр электродов;

 Ом;

) окончательное число вертикальных электродов:

 принимаем 16 штук.

Вывод: удовлетворяет.

4.3.2 Организация приточно-вытяжной вентиляции

В отделении плавки содержание вредных газов и пыли не превышает ПДК. В цехе осуществляется естественный воздухообмен с движением воздуха в рабочей зоне со скоростью движения до 0,5м/с. У дверных проемов устанавливается калорифер КФСО-8, который регулирует зимой горячий, а летом - холодный воздух до температуры +19 0С. Влажность воздуха не превышает 75%. Согласно СН 245-71 при категории средней тяжести работ допускается температура воздуха до 17-22 0С, относительная влажность не более 75%. Таким образом, отклонения от СИ нет. В цехе предусмотрена система вентилирования воздуха, которая не превышает СН 245-71.

Для вентилирования воздуха также применяют центральные системы (однозональные, многозональные) местные кондиционеры, системы с раздельной обработкой воздуха. Кондиционеры применяют для обслуживания одного помещения, в частности вычислительного цеха.

4.3.3 Защита от механических травм

Для организации планомерной борьбы с травматизмом организовывается строгий учет и документация несчастных случаев.

Все площадки и переходные мостики в отделении плавки, находящиеся на высоте более 0,5 м, снабжены лестницами и перилами с высотой 1,2 м и с перекладиной на высоте 0,5 м. площадки, расположенные на высоте более 0,3 м над уровнем пола, снабжены лестницами. Угол наклона лестниц 450, ширина 0,7 м. все вращающиеся части агрегатов имеют ограждения и соответствующие надписи: «осторожно», «опасно». Шнеки и соединительные муфты имеют закрытые и закрепленные ограждения.

4.4 Санитарно-гигиенические мероприятия

При работе в цехе необходимо соблюдать правила личной гигиены, пользования индивидуальными средствами защиты и профилактики. Вновь поступающие рабочие и ИТР подвергаются предварительному медосмотру, а в дальнейшем - периодическому ежегодному.

С рабочими проводится инструктаж о правилах личной гигиены. Также проводятся мероприятия по обеспечению защиты от шума, организация освещения, мероприятия по обеспечению соответствующих метеорологических условий.

.4.1 Обеспечение спецодеждой, спецобувью, предохранительными приспособлениями

Для защиты от брызг расплавленного металла пользуются спецодеждой, сделанной из льняных (брезентовых) и шерстяных тканей как не воспламеняющихся. Те части спецодежды, которые подвергаются интенсивному облучению, следует делать трехслойными: наружный слой - из льняной не воспламеняющейся ткани, средний - из шерстяной и внутренний - из мягкой хлопчатобумажной ткани. Рабочим горячих цехов полагается выдавать суконные рукавицы с брезентовыми накладками, валенки или ботинки и войлочные шляпы, каски для остальных работников цеха. Горновой, его помощник, фурмовщик и сифонщик должны использовать специальные защитные очки. Для электроперсонала, сантехников, механиков и т.д. в качестве спецодежды выдаются костюмы из хлопчатобумажной ткани, ботинки или сапоги.

За спецодеждой организуется уход: стирка, чистка, обеспыливание, ремонт. Спецодежда подвергается периодической проверке и испытаниям. Соблюдаются сроки замены старой спецодежды.

Средства индивидуальной защиты подвергают периодической проверке, а газо-защитные аппараты еще и проверке после каждого случая использования, перед применением. Проверку оформляют актом или регистрируют в специальном журнале.

4.4.2 Обеспечение метеорологических условий

Для характеристики условий труда важное значение имеет производственный микроклимат - комплекс значений физических характеристик метеорологических факторов в ограниченном пространстве производственного помещения. К метеорологическим характеристикам относятся температура воздуха, влажность, скорость движения.

Микроклимат влияет на самочувствие человека, его трудоспособность и протекание физиологических процессов, от которых зависит поддержание постоянной температуры тела. Тепловые воздействия на организм могут являться причиной быстрого утомления, снижения работоспособности, ослабление сопротивляемости организма к вредным воздействиям, различным заболеваниям. Способы защиты от лучистого потока:

· Теплоизоляция нагретых поверхностей;

·        Экранирование теплового излучения;

·        Применение защитной одежды;

·        Использование воздушного душа с подкачкой свежего воздуха;

·        Организация рационального отдыха в период работы.

4.4.3 Организация искусственного освещения

В операционном помещении наблюдается недостаток естественного освещения. В связи с этим необходимо искусственное освещение.

Коэффициент запаса для люминисцентных ламп к=1,5, высота зала h=2,5 м. Площадь операторной 10,6 м2.

Необходимо 20 светильников, обеспечивающих общее освещение, удовлетворяющее предъявленным саниртарно-гигиеническим нормам для работы с дисплеями вычислительных машин и считывания показаний датчиков.

4.4.4 Защита от шума и вибрации

Источниками шума в помещении цеха двигатели, вытяжная вентиляция, мостовые краны и т.д.

Шум препятствует сосредоточению внимания, затрудняет выполнение работ, вызывает изменения в нервной системе, оказывает влияние на психику.

Непосредственными инициаторами человека, сердечно-сосудистую систему, пищеварение человека, ухудшается сон.

Работа в условиях шума и вибраций может вызвать головную боль, головокружение и др., непосредственными инициаторами вибрации и шума являются двигатели, вентиляторы.

Все источники шума и вибрации учтены. Их общий уровень составляет не более 25 ГЦ. Для снижения шума в цехе в непосредственной близости от печи необходимо использовать наушники, а стены помещения операторного зала облицованы шумопоглащающим материалом по ГОСТ12.1.003-83.

4.5 Обеспечение пожарной безопасности

За пожарную безопасность ответственность несет начальник ИВЦ. Помещения, где располагаются средства вычислительной техники в соответствии с противопожарными нормами строительного проектирования промышленных предприятий по степени огнестойкости относятся к 111 группе, но пожарной опасности - к категории Г (СН и П 11-М2-72).

Информация ИВЦ - пакеты магнитных дисков, дискеты и т.п. располагаются в обособленных помещениях.

Исходя из расчета один огнетушитель на 600 м для тушения пожара устанавливают один переносной огнетушитель ОХП-10.

В противопожарных целях по проекту предусматривается автоматизированная пожарная сигнализация: для сообщения о пожаре предусмотрено установка двух телефонов - один в помещении ВЦ, другой (телефон-автомат) - в коридоре.

Используют установку СТППХ-1, датчики которой реагируют на дым, тепло и свет пламени.

При возникновении пожара предусматривается следующие пути эвакуации:

·  Дверные проемы, которые ведут из помещений непосредственно в наружу;

·        Переход или коридор с непосредственным выходом наружу или на лестничные площадки;

·        Запасные выходы, которые не используется при нормальном движении, но могут быть использованы в случае необходимости при вынужденной эвакуации.

Для тушения пожара применяется наружный трубопровод, который расположен на территории завода по кольцевой схеме. Оповещение о пожаре осуществляется через телефон, громкоговорящую связь.

В цехе предусматривается молнезащита регламентируется указаниями проектирования и устройства молнезащита здания и сооружений (СН и П 11-4-79) «Противопожарные нормы проектирования».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном дипломном проекте рассмотрены вопросы разработки системы оптимального управления технологическим процессом плавки в печи Ванюкова в условиях медеплавильного завода «Балхашмыс».

Учтен анализ современного состояния автоматизации процесса ПВ. Разработана система оптимального управления процессом Ванюкова с использованием как традиционных классических математических моделей этого процесса, так и моделей, построенных на основе теории нечетких множеств. Описана математическая модель кинетики химических реакций, гидродинамическая модель. Разработана экспертная система управления процессом плавки в печи Ванюкова. Рассмотрены элементы теории планирования экспериментов. Разработаны системы стабилизации разряжения в печи. Выполнены расчет оптимальных настроечных параметров регулятора, построение переходного процесса.

Была разработана проектная документация на создание системы автоматизированного управления плавкой в ПВ (АСУТП). Здесь же в техническом обеспечении сделан выбор технических средств, описана функциональная схема автоматизации.

В работе приводятся мероприятия по охране труда и технике безопасности, приведен расчет экономической эффективности от внедрения АСУТА.

Литература

1. Иванов В.А., Николаева Н.И., Ибраев А.Х., Шапировский М.Р. Математическая модель надфурменной зоны печи Ванюкова. // Цветная металлургия. 1990, №8, с. 113-115.

. Федоров А.Н., Павлов Р.А., Безрукова Ж.Ж. Гидродинамическая модель ванны расплава процесса Ванюкова (ч. 1) // Изв. Вузов. Цветная металлургия. 2002, №3, с. 11-13.

. Ванюков А.В., Васкевич А.Д. // Изв. Вузов. Цветная металлургия. 1981. №6. С. 20-28.

. Васкевич А.Д., Комков А.А., Разумовская Н.Н. и др. // Цветные металлы, 1987. №3. С. 33-38.

. Васкевич А.Д., Манцевич Н.Н., Ванюков А.В. // Цветные металлы. 1986. №1. С. 15-17.

. Кубашевский О., Олкокк С.В. Металлургическая термохимия. - М.: Металлургия, 1982. - 392 с.

. Железняк А.С., Иоффе И.И. Методы расчета многофазных жидкостных реакторов. - Л.: Химия, 1974. - 320 с.

. Кафаров В.В., Ветохин В.Н. Основы автоматизированного проектирования химических производств. - М.: Наука, 1987. - 623 с.

. Рузинов Л.П., Гуленицкий В.С. Равновесные превращения металлургичес-ких реакций. - М.: Металлургия, 1975. - 416 с.

. Гречко А.В. // Изв. АН СССР. Металлы. 1986. №5.С. 9-19.

. Савельев А.Ю., Топчаев В.П., Казанский Л.А., Шапировский М.Р. // Всб.: Математическое моделирование и ЭВМ в цветной металлургии: Науч. тр. / ОНТК «Союзцветметавтоматика». - М., 1988. - С. 49-58.

. Федоров А.Н.// Научные школы МИСиС - 75 лет. М.: МИСиС, 1997, с.91.

. Железняк А.С., Иванова Т.В., Ландау А.М. // Журн. прикл. химии. 1972, Т.45, №4. С. 815.

. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973.

. Ванюков А.В., Быстров В.П., Васкевич А.Д. и др. Плавка в жидкой ванне/ Под ред. А.В. Ванюкова. М.: Металлургия, 1988.

. Кормильцин С.П., Цемехман Л.Ш., Афанасьев С.Г. Рафинирование и обогащение ферроникеля. М.: Металлургия, 1976.

. Бармин Л.Н., есин О.А., Добровинский И.Е. // Журн. физ. химии. 1970. Т.44. С. 2560.

. Федоров А.Н., Павлов Р.А., Безрукова Ж.Н. Гидродинамическое моделирование ванны расплава в печи Ванюкова (ч. 2). // Изв. Вузов. Цветная металлургия, №5, 2002, с. 4-9.

19. Роль математического моделирования в металлургии // Bull. Mater. Sci. - 1989. -12. №3-4. p 353-368.

20. Skeley Julian. Математические модели в разработке новых процессов. Mathematical models in new process development // JOM. -1990. - 42, №2. - p. 16-21.

21. Boris Jay P. Новые направления в вычислительной гидродинамики. New directions in computational fluid dinamics // Annu. Rev. Fluid Mech. Vol.21. - Palo Alto, 1989. - p. 345-385.

22. Скуратов А.П., Журавлев Ю.А., Григорьев О.М. Разработка математической модели теплообмена в энергетическом комплексе для плавки в жидкой ванне. // Моделирование теплофизических процессов. _ Красноярск, 1989. - p, 110-118.

. Математическое моделирование гидродинамики и теплообмена в ванне печи Ванюкова. Отчет о НИР / ВНИИэнергоцветмет. 1989.

. Кишнев В.В., Текиев Ю.М. Автоматическое управление процессом плавки медно-цинковых концентратов в жидкой ванне. Научные труды МИСиС, 1981, №128, 89-97.

. Лонский А.М., Сильчук С.М., Зубовский В.В. Моделирование массообменных процессов в конвертерной ванне при различных способах ввода дутья. // Металлургия и коксохимия. - Киев, 1988, №96, с. 52-55.

. Разработка математических моделей теплотехнических процессов агрегатов промышленных предприятий. // Отчет о НИР. - Днепродзержин-ский индустриальный институт, 1987.

27. Muchi Iwao, Asat Shigeo, Kuwabara Mamoru. Основы моделирования металлургических процессов. Principles of metallurgical reaction engineering. // Mem. Fac. Eng, 1987, 39, №1, p. 92-145.

. Ксеник Т.В. Математическое моделирование физико-химических и тепломассобменных процессов, происходящих в турбулентных закрученных потоках. // Современные проблемы теплофизики. 5 Всесоюзная школа, Новосибирск, март, 1988.

. Шапировский М.Р. и др. Математическое моделирование металлургических процессов. - М.: МИСиС, 1987 - 89 с.

. Krishna Murthy G.G. Математическое моделирование и численное исследование течений с рециркуляцией, а также перемешивания в продуваемых газом жидких ваннах. //ISIJ International. - 1989. - 29, №1. p. 49-57.

. Кожахметов С.М. Исследования в области теории и технологии автогенных процессов. Избранные труды. Алматы, 2005

32.  Плавка в жидкой ванне. А.В. Ванюков. М.:Металлургия, 1988.