CC BY
43
УДК 666.9:681.5
НЕЧЕТКАЯ ДИАГРАММА ПОВЕДЕНИЯ УЗЛА НАГРУЗКИ ГЛАВНОГО ПРИВОДА ЦЕМЕНТНОЙ ПЕЧИ
А.Г. Бажанов, В.З. Магергут
Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова E-mail: all_exe@mail.ru
Описывается создание нечеткой диаграммы поведения узла приращения нагрузки на главный привод печи № 1 ЗАО «Осколце-мент». Выбор данного узла был основан на его значительной роли в управлении всем объектом, что подтверждается не только мнением технологов и операторов печи, но и статистическими данными, полученными из базы данных завода. Для построения данной диаграммы были изначально использованы упрощенные модели балансов и динамики для уровня шлама в печи и ее момент инерции, которые можно получить исходя из структуры и технологии работы объекта. Диаграмма строится на основе данных математических моделей, учитывая зависимые для выбранного узла технологические величины, и описывает нечеткие связи между входными и выходными технологическими величинами объекта, что обусловлено сложностью его работы и управления.
Ключевые слова:
Цементная печь, система управления, нечеткая диаграмма поведения, узел приращения нагрузки, уравнения балансов.
Key words:
Wet rotary cement kiln, control system, fuzzy behavior chart, load increment node, equations of balances.
Важнейшую роль в производстве цемента по «мокрому» способу играет обжиг клинкера, который производится во вращающихся печах. Уровень автоматизации на существующих «мокрых» печах для обжига является низким, контроль за состоянием печи и ее управление ведется зачастую по устаревшим аналоговым приборам. Даже на печах с уже существующим техническим комплексом по автоматизации существенную роль в управлении играет человек, он принимает все решения, основываясь на показаниях приборов, выведенных на его автоматизированное рабочее место оператора (АРМ). Полное исключение человека из системы управления печью с применением традиционных методов автоматизации затруднено сложностью протекающих в печи физико-химических процессов и невозможностью построения математической модели этих процессов.
В связи с тем, что человеку сложно длительное время быть сконцентрированным на процессе управления и из-за усталости он может принимать ошибочные решения, возникает задача построения автоматизированной системы управления, полностью или частично повторяющей функции человека, созданной или обученной с участием операторов, управляющих вращающейся печью. Для создания такой системы необходимо иметь описание и анализ поведения технологических величин (узлов) цементной обжиговой печи.
В данной работе рассмотрено построение алгоритма функционирования узла приращения нагрузки на главный привод цементной печи № 1 ЗАО «Осколцемент» в виде так называемой нечеткой диаграммы поведения узла [1]. Алгоритма работы печи в целом и данного узла в частности на данный момент не существует в виде формализованной структуры, только лишь в виде регламентных правил на естественном языке, обращенных к машинисту печи с основанием функционирования на базе его личного опыта.
Диаграмма поведения [1] позволяет кроме описания объекта на базе имеющихся математических описаний балансов выявить неучтенные в объекте нештатные и аварийные ситуации вследствие своей замкнутости и возможности прохода по любой из дуг. Нечеткая диаграмма позволяет проводить аналогичный анализ для объектов с неформализованными алгоритмами, а также объектов с нечеткими правилами работы, что присутствует в рассматриваемом объекте.
Нагрузку на главный привод печи (И) - ток, протекающий через обмотки двигателя, примем как величину, зависящую от двух составляющих:
N = / (Иш, Jo), (1)
где Нш - уровень шлама в печи; /о - общий момент инерции, который складывается из момента инерции шлама (/ш) и момента инерции самой печи (/„). В силу того, что /п=сош1, при переходе к уравнению динамики в приращениях получим, что А/о=А/ш, где А - знак приращения.
Изменение уровня шлама в печи представим следующим уравнением:
= 2 -2 ,
1, -«--к’
ш
где £ - площадь поверхности шлама, заполняющего печь; (}ш - подача шлама в печь; 0к - выход клинкера, причем можно принять, что
Йя=Агш), (2)
Ок=ЛУ,Нш,а,п), где £ш - степень открытия шибера подачи шлама; V- скорость вращения печи; а - угол наклона печи; п - вязкость шлама. Так как а=сош1;=4 % к уровню горизонта, а п - коррелированна с Нш, при переходе к уравнению динамики в приращениях примем, что
А2к = / (А V, АЯш). (3)
С учетом принятых допущений изменение приращения общего момента инерции можно представить в виде следующей функциональной зависимости:
йі
= / (АУ, Аб ш, АНш, А0,, Ап, Ат 0),
й АЗ
йі
= / (А V, АЄ 0, АН0).
(4)
3. Выявить параметры, от которых зависит конкретный узел, то есть все потоки в объекте.
4. Построить схему по описанным правилам [1].
5. Записать управляющие и возмущающие ТУ узла, проставляя их над соответствующими связями.
где Атш - приращение массы шлама в печи. В силу выражения (3) и взаимосвязи тш, п с Нш получаем зависимость для А/о вида:
Таким образом, исходя из (2), (3), (4) и [1, 2] в вектор входных управляющих технологических величин будут входить: А Г, А0ш, АНш. К вектору управляющих воздействий будет относиться £ш.
Тогда выражение (1) представим в виде:
АЖ = / (АУ, А б 0, АН 0). (5)
Исходя из функциональной зависимости (5) составим структуру узла [1] приращения нагрузки на главный привод цементной печи (рис. 1) в виде зависимостей от входных приращений соответствующих величин:
Рис. 1. Структура узла приращений нагрузки на главный привод печи
С целью составления нечеткой диаграммы поведения разделим входящие в структуру узла величины по нечетким градациям значений (при этом для упрощения записей знак А будем опускать):
1) скорость вращения печи V, которую определяет скорость двигателя £д: £д - привод остановлен, минимальная, низкая, средняя, £д тах - максимальная;
2) процент открытия шибера шлама £ш, который определяет подачу шлама в печь 0ш: £ш, приоткрыт, открыт больше Н-ь открыт меньше Н-1, открыт меньше максимума, £ш тах - максимальный;
3) высота шлама в печи: Нм - средняя, высокая, Нтх - максимальная;
4) нагрузка на двигатель: Им - малая, Жср - средняя, N - большая, Ишях - максимальная.
Далее составим технологическую структуру узла
приращения N (рис. 2), для чего необходимо выполнить следующий комплекс действий:
1. Определить область изменения выходной координаты узла и выявить на ней характерные точки - в данном случае это нечеткие характеризующие правила.
2. Исходя из статистических данных и экспертных оценок, определить поведение узла на нечетких интервалах.
Рис. 2. Технологическая структура узла приращения N цементной печи
На рис. 2 используются следующие обозначения: уш - влажность шлама; укр - критическая влажность, при которой движение шлама невозможно; Пш - вязкость шлама в зонах декарбонизации, экзотермических реакций и начальной части зоны спекания; пкр - критическая вязкость, при которой возможно образование колец; Нкш - высота шлама в основных зонах печи: декарбонизации, экзотермических реакций и начальной части зоны спекания; Нкр - критическая высота, при которой возможно образование колец; Iш - температура шлама; 4ш - температура застывания; /д - флаг исправности двигателя печи (1 - исправен, 0 - неисправен);
- флаг наличия кольца в печи (1 - есть, 0 - нет); /ш - флаг наличия шлама на входе в печь (1 - есть,
0 - нет). Индексами м, ср, б, тах обозначим соответствующие нечеткие градации величин - малый, средний, большой, максимальный.
Составим управляющие технологические условия, влияющие на узел нагрузки главного привода цементной печи:
Г1 - если привод печи исправен (Е),
01 =\ д [ 0 - если иначе,
1 - если V < V ,
02 =
0з =
04 =
0 кр ’
0 - если иначе,
1 - если *0 > ^
0 - если иначе,
1 - если есть 0лам (^0),
0 - если иначе,
07 =
1 - если есть кольца (^),
0 - если иначе,
1 - если П0<
0 - если иначе,
1 - если ^кш< ^
0 - если иначе.
а также возмущающие технологические условия: Ґ1 - если У=0,
1 [0 - если 0<У<Ум,
Ґ1 - если У =Ум,
2 [° - если ум<у
У1=
У2=
Уз =
921 =
922 =
923 =
924 =
925 =
931 =
932 ='
933 =
934 =
I1 - если У=Уср,
[0 - если Уср<У<yб,
|1 - если У =Уб,
10 - если ^5 < У< Утах,
11 - если У = ^тах ,
[0 - если иначе,
|1- если б0=0,
[0 - если
Г1 - если Q0=Qм,
[0 - если О^^0^
I'1 - если Q0=QCр,
[0 - если ^р^^
Г1 - если 0IШ=0б,
[0 - если Йб <00<0тах,
I1 - если Й0 =0тах,
0 - если иначе,
Г1 - если Н 0=Н м,
[0 - если Нм<Н0<Нср,
'1 - если Н0=Нср,
[0 - если Нср<Н0<Нб,
Г1 - если Н0л=Н б,
[0 - если Н6<Н0<Нтах,
Г1 - если Н0=Нmax,
10 - если иначе.
С учетом технологической структурной схемы (рис. 2) и введенных ТУ была построена нечеткая диаграмма поведения узла N (рис. 3). В центре расположены вершины-прямоугольники с нечеткими статическими положениями для значений нагрузки на главный двигатель, по бокам - вершины-овалы, соответствующие динамике (слева - повы-
шение значений, справа - их снижение). Условия перехода между вершинами и сохранения статических состояний вершин, помечающие соответствующие дуги, обозначены как /¡. Они записываются в виде логических функций от ТУ и управляющих воздействий. При этом воспользуемся режимами 1-го ранга для обозначения состояний вершин.
Запишем переходы в виде нечетких правил:
00 =9! V92 V9з V94 V9П;
0 =96 v97;
^7 = 00 л 0 л 95 А 9И л ^0 - приоткрыт л л^д - минимальная скорость V Vzд - низкая скорость));
/2 = 00 л Й л 95 л 9и л ^ - приоткрыт л лzд - минимальная скорость);
/ = 00 л 01 л 95 л 912 л (^0 - открыт боль0е,чем / л л^д - минимальная скорость V Vzд - низкая скорость) V (z0 - приоткрыт л л2д - низкая скорость));
/з = /5 = 00 л 0 л 95 л 912 л (^0 - открыт боль0е,
чем / л zд - низкая скорость) V
^0 - открыт как /4 л zд - средняя скорость));
У4 = У6 = 00 л (0 v 95) л 91з л (z0 - открыт ботме чем /5 л (zд - низкая скорость V Vzд - средняя скорость) V
V z0 - открыт мень0е максимума л
л(zд - низкая скорость V zд - минимальная скорость));
/ = 00 л (01 V 95) л 91з л (Z0 - открыт меньше максимума л (zд - низкая скорость V Vzд - минимальная скорость));
/7 = 00 л (0 V 95) л914 л (Z0 - открыт мень0е максимума л (zд - максимальная скорость V zд - средняя скорость) V Vz0 - открыт максимально л zд - низкая скорость);
/ = 00 л (0! V 95) л 914 л (z0 - открыт максимально л лzд - средняя скорость);
/0 = 00 л ((95 V 01) V (95 л 01)) л 9 л
л(z0 - открыт максимально л л zд - максимальная скорость);
= 00 л (0 V 95) л 9 V Z0 - открыт мень0е максимума V (z0 - открыт максимально л zд - средняя скорость);
^2 = 00 л (01 V95) л914 V
V z0 - открыт мень0е максимума V
v(zд - максимальная скорость V zд - средняя скорость) V Vz0 - открыт максимально л zд - низкая скорость);
¿3 = /и = Q Л (61 v0) Л013 v
v(z0 - открыт меньше / Л z - низкая скорость) V v(z0 - открыт меньше максимума л лz - средняя скорость);
¿5 = /1б = 60 Л 61 Л 65 Л 612 V (zm - открыт мень0е /2 Л лzд - минимальная скорость) v vz0 - приоткрыт;
/17 = Q0 Л б1 Л 05 лв12 Л (z0 - открыт больше,чем /15 Л л(zд - минимальная скорость v vzд - низкая скорость));
/18 = 60 л Q1 лв5 лв12 л z0 - открыт меньше,чем /1 v vzд - низкая скорость v vzд - минимальная скорость;
/19 = бо л (61 v 65) л 012 л (zm - открыт больше /1з Л лzд - минимальная скорость);
/2о = бо л(61 v05) v zm - открыт меньше/4 Л л(z - низкая скорость v vzд - минимальная скорость);
/21 = 60 л (61 v 65) л (z0 - открыт максимально v vzд - высокая скорость);
/22 = /11-
Таким образом, на основе рабочей базы данных ЗАО «Осколцемент» и уравнений балансов были получены функциональные зависимости, позволившие выявить вектор управляющих технологических величин для узла приращений N. Вследствие чего была достигнута основная цель работы -описан алгоритм функционирования узла приращений нагрузки главного привода цементной печи в виде нечеткой диаграммы поведения узла.
Результатом данной работы является построение нечеткой диаграммы поведения узла прира-
щения нагрузки на главный привод печи с возможностью построения разверток [1] нечеткой диаграммы поведения при различных режимах работы и последующим преобразованием их в помеченную сеть Петри, отражающую динамику объекта относительно узла. Проводя анализ сети, можно получить базу правил для нечеткого регулятора, который планируется внедрить в работу системы. Система управления на данном этапе планируется как советующая с разработкой рекомендаций для оператора печи, позволяющих ему наиболее быстро и правильно реагировать на изменение характеристик печи, а также избегать ошибок в анализе ситуации.
Рис. 3. Нечеткая диаграмма первого ранга поведения узла приращений N
Построенная нечеткая диаграмма поведения узла приращения нагрузки на главном приводе печи позволяет говорить о создании алгоритма управления цементной печью путем включения его в комплексную структуру автоматизированной системы управления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Магергут В.З., Юдицкий С.А., Перов В.Л. Построение логических моделей химико-технологических объектов (первичные и исходные модели). - М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1988. - 80 с.
2. Классен В.К. Обжиг цементного клинкера. - Красноярск: Стройиздат, 1994. - 323 с.
