CC BY
21
Таким образом, для принятия решений о стадиях самонагревания углей и тенденциях их ха^зития (следовательно, решения-прогноза об опасности эндогенного пожара) должностным зкпм предъявляются три комплекса информации:
I Данные непрерывного (дискретного) приборного газового контроля на объекте.
2. Экспертные оценки опасности объектов самонагревания углей.
3. Данные об отклонениях технологических параметров горных работ от проектных значений.
Фоном, на котором принимаются решения, являются статистические оценки влияния различных горно-геологических и горно-технологических факторов на опасные процессы.
Управляющие воздействия осуществляются с использованием методов теории поддержки принятия решений.
На шахте "Центральная" ОАО "Челябинскуголь" разработан проект комплекса аппаратуры газового контроля "МИКОН-1Р", который войдет впоследствии в автоматизированную подсистему предупреждения, локализации и ликвидации эндогенных пожаров В настоящее время система позволяет контролировать эндогенную пожароопасность на южном крыле шахты по газовому составу шахтной атмосферы (метан, оксид углерода, водород, кислород), параметрам микроклимата (скорость движения воздуха). Были опрошены группы экспертов, которые позволили уточнить статистические данные об эндогенных пожарах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Матвеев В. В. Методы и средства индексации эндогенной пожароопасное™ /УГГТА. -Екатеринбург. 1996. • Деп. в ВИНИТИ 22.11.96, Ю405.В36, 1996. - 66 с.
2. Матвеев В.В., Казаков Ю. М. Экспертно-статистический метод корректировки прогноза эндогенной пожароопасности на угольных шахтах //Известия вузов. Горный журнал. - 1998. - N1. -С. 108-1 И.
3. Матвеев В. В. Прогнозирование эндогенной пожароопасное™ на угольных шахтах /УГГГА. -Екатеринбург. 1998. - Деп. ВИНИТИ 15.06.98 Ю405.В98. 1998. - 114 с.
УДК 622-7-52: 51.001
Е.В. Прокофьев, В.Н. Ефремов, Э.С. Лапин
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКИХ СТРУКТУР МОДЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ И ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ
ИСКОПАЕМЫХ
При проектировании систем автоматизации технологических процессов важное значение имеет предварительное исследование объекта автоматизации с целью изучения его статических и
47
динамических свойств, выбора наиболее эффективных каналов управления, определен» структуры системы управления и т. д.
Экспериментальные методы исследования объектов применять в этом случае затрудните: из-за сложности постановки эксперимента в промышленных условиях, из-за экономим затруднений (дороговизна постановки эксперимента и обработки его результатов) и т. д., а для вновь проектируемых технологических комплексов и в принципе невозможно.
Проще и рациональнее исследование сложных объектов автоматизации проводить ка математических моделях.
Как и сами технологические комплексы (объекты автоматизации)^ их модели могут быть получены различными методами и могут отличаться друг от друга разной степенью сложности, разной точностью описания поведения реального объекта и т.д.
Аналитический путь получения математических моделей технологически* комплексов процессов подготовки руды к обогащению (дробление, измельчение, классификация) и собственно процессов её обогащения (флотация, отсадка, магнитная сепарация и др.) является сложной задачей, часто трудно разрешимой из-за сложности механических, физико-химических явлений, происходящих в процессах переработки в установках промышленного типа.
Кроме того, учитывая, что указанные процессы, в том числе однотипные (например, основная флотация) реализуются в различных аппаратах, группах аппаратов и оборудования, скомпанованных сложным образом, с наличием обратных технологических связей, получение математических моделей таких процессов аналитически становится практически невозможным
Возможен иной путь (кроме чисто анаштического)получения математического описания технологических комплексов, позволяющий получать хорошие результаты при синтезе различных систем автоматического управления тем или иным технологическим комплексом.
Можно показать, что любой технологический процесс может быть представлен как процесс, состоящий из простейших операций, объединённых в единую типовую структуру технологического комплекса.
В этом случае алгоритмические структуры моделей отдельных элементов (операций) комплекса могут быть представлены матрицей [Wik (р)] передаточных функций, дающих алгебраическую связь между изображениями по Лапласу входов и выходов:
Для сложных технологических объектов (комплексов), априорная информация о которых обычно недостаточна, удобно реализовать модели в виде инерционных звеньев, причём доказана возможность описания динамических характеристик устойчивых объектов высокого порядка с передаточными функциями типа:
Р
Yk= X Wik -Uc. i=l
(1)
W(p)= К е-рт
(2)
■
или
(3)
моделями упрощенных структур низкого порядка:
Wm(p)= Км е'Р™ , m < п f[(TMip + l)
\Ум(р)= Км е Р™ , ш < п (рТм+1)"
Обычно ограничиваются передаточными функциями порядка не выше второго. Динамические модели технологических объектов (комплексов) обычно составляются для ний входных и выходных параметров относительно их стационарных значений, что ет ограничиваться линейными моделями каналов управлений и возмущений. Структурная идентификация технологического комплекса включает следующие операции:
1) выделение комплекса из общей схемы;
2) ранжирование входов и выходов комплекса по степени их влияния на выполнение целей управления,
3) определение рационального числа входов и выходов объекта, учитываемых в модели;
4) определение характера связей между входами и выходами объекта. На рис. 1 показан пример одного из возможных типовых комплексов процесса дробления,
^стоящего из питателя, дробилки, грохота и конвейера.
Исходная
руда Питатель
Рис. 1.Типовой технологический комплекс дробления: Ор - количество руды, поступающей в дробилку, т/ч;
Гр - гранулометрический состав руды, поступающей в дробилку, % заданного класса крупности.
(Зд.Гд.(}в.Гв.(}г.Гг - то же, соответственно расход руды и гранулометрический состав, на выходе дробилки, надрешбтного продукта грохота и готового продукта
В таблице приведена обобщённая характеристика этого типового комплекса как объекта автоматического управления.
Алгоритмические структуры отдельных элементов комплекса представляются в виде, показанном на рис.2. Передаточные функции элементов по различным каналам могут быть передаточными функциями инерционных звеньев первого и второго порядков с запаздыванием и без запаздывания, звеньями чистого запаздывания, безынерционными звеньями с запаздыванием и т. п.
Д пп (р)
► 1 1
ДО (р)*ДГ (р) Р Р
Рис 2. Алгоритмические структу ры элементов комплекса дробления: а - питатель(конвсйср), б -дробилка; в - грохот
р
Обобщенная характеристика типового комплекса дробления (питатель - дробилка в замкнутом цикле с грохотом - конвейер)
11арамстры Возможный канал управления Обозначения
•ошущаюшие управляющие у правляемые
I Грансостав исходной р>лы - Гр 1. Частота вращения вала привода питателя - п„ 1. Производительность по готовому продукту - дг «Частота вращения вала привода питателя производительность по готовому продукту» «Частота вращения вала привода питателя - грансостав готового продукта» «Частота вращения вала привода питателя - активная мощность, потребляемая приводом дробилки» «Частота вращения вала привода питателя - уровень материала в рабочей зоне дробилки» «Частота качания конуса дробилки - производительность по готовому продукту» «Частота качания конуса дробилки - грансостав дробленого продукта» «Частота качания конуса дробилки - уровень материал в рабочей зоне дробилки» «Частота качания конуса дробилки - активная мощность, потребляемая двигателем дробилки» «Ширина разгрузочной щели дробилки производительность по готовому продукту» «Ширина разгрузочной щели дробилки - грансостав готового продукта» «Ширина разгрузочной щели дробилки - активная мощность электропривода дробилки» «Ширина щели дробилки - уровень руды» «Частота вибраций грохота - производительность» «Угол наклона грохота - производительность» «Угол наклона грохота - грансостав» « «Пп-Ог» «пп-Гг» «П„-Рд» «пп-Ьд» «П<гОг» «П^-Гг» «Пд-Ьд» «Пд-Рд» «Вд-О,» «Вд-Гг» «Вд-Рд» «Вд-Ьд» «пг-<Зг» «аг-Гг»
2. Влажность исходной • РУЛЬ! - Wp 2. Частота качаний конуса дробилки -пл 2 Грансостав готового продукта - Гг
3 Физико-химические свойства исходной руды - Фр . (твердость, раскалывае-мость и др.) 3. Ширина разгрузочной щели дробилки -Вд 3. Активная мощность, потребляемая двигателем привода дробилки - Ра
4. Угол наклона грохота-От 4. Уровень материала в рабочей зоне дробилки - Ьа
5. Частота вибраций грохота - пг
АПп(р) АГр(р)
ЕДГ7Я
>\ЛМЗ(р)
д<3р(р)
го
Питатель
дГд
¡2Ш
утят
ШШ
гсгет
ъ
гстетгя
ъ
ЕДЯ
ъ
А Ов(р)
:дггр)
ДРДСР)
А Гв(р)
А Гг(р)
Конвейер
Дробилка
Грохот
Рис.3. Алгоритмическая структура модели типового технологического комплекса дробления
Используя алгоритмические структуры простейших элементов, можно составить жтмическую структуру любого технологического комплекса, исходя из технологических элементов в комплексе.
Так, для рассматриваемого типового комплекса дробления развёрнутая алгоритмическая с*р> ктура может быть представлена в виде, показанном на рис. 3.
Передаточные функции комплекса по отдельным каналам определяются в соответствии с ггзвилами преобразования структурных схем, принятых в теории автоматического управления.
Рассмотрим в соответствии с рис. 3 один из возможных каналов управления «Д пп (р) --Ог(р)» (приращение частоты вращения двигателя привода питателя - приращение количества готового продукта на выходе комплекса).
Алгоритмическая структура модели канала «Дпп (р) - Д()г(р)» представлена на рис. 4, -•¿редаточная функция комплекса по этому каналу запишется:
Рис.4. Алгоритмическая структура модели комплекса дробления по каналу«Дпп (р)- АСМр)» (частота вращения привода питателя - количество готового продукта на выходе комплекса)
\УДп- Д()г(р)= 11 (р)
\У24(р)
1-\¥24-\¥31(р)
\¥34(р)\У41{р),
(6)
где XVи (р) - передаточная функция питателя по каналу «частота вращения привода питателя -производительность питателя »; XV «^(р)- передаточная функция дробилки по каналу «расход руды в дробилку - производительность дробилки по готовому продукту»; \У~(р)- передаточная функция грохота по каналу "расход руды на грохот - производительность грохота по подрешётному продукту "; У^ц (р) - передаточная функция грохота по каналу "расход руды на грохот- производительность грохота по надрешётному продукту "; \У^(р) - передаточная функция конвейера.
Для параметрической идентификации технологических объектов можно использовать различные виды информации (априорную, апостериорную), получаемую из библиографических источников о результатах исследований комплексов или отдельных элементов комплексов, подобных идентифицируемым.
Параметрическая идентификация может осуществляться также по результатам экспериментов на промышленных, полупромышленных технологических комплексах или специальных лабораторных установках. При этом могут использоваться как активные, так и пассивные методы проведения экспериментов.
Особое место среди методов параметрической идентификации занимают аналитические методы, основанные на использовании закономерностей физико-химических процессов, протекающих в технологическом объекте, уравнений тепловых и материальных балансов, уравнения гидродинамики и т.п.
Точность этих методов параметрической идентификации вполне достаточна для использования моделей при исследовании автоматических систем регулирования, а несомненным достоинством является учёт в параметрах модели конструктивных, технических и технологических особенностей объекта идентификации.
По различным каналам связи питатель можно идентифицировать передаточной функцией инерционного звена первого порядка с запаздыванием:
™ЛР) = Т^-Ге~РГП > <7>
Т„Р + 1
где Кп - коэффициент передачи питателя по конкретному каналу; Тп - постоянная времени питателя; тп - время запаздывания.
Соотношение между инерционной и запаздывающей частями выражения (7) для различных каналов изменяется.
По основному каналу регулирования «частота вращения привода питателя пп -
производительность питателя по исходной руде ()п» преобладает инерционная составляющая.
Р
определяемая движущимися массами электромеханической системы и руды на питателе. Запаздывание определяется временем падения руды с питателя до уровня её в дробилке или на грохоте.
Коэффициент передачи питателя по этому каналу (пп - ()П) определяется типом питателя и
Р
значением его технических параметров:
к „ = д Р"°М . (8)
п пном
где ()1 рном - номинальная (паспортная) производительность питателя т/ч; пп ном - номинальная (паспортная) частота вращения привода питателя, об/мин.
Постоянную времени Тп по каналу "пп - ()п" ориентировочно можно определить для всех
Р
типов питателей, кроме конвейерных, из выражения
1= 0.7(1+Мном 10^), (9)
где Ином - номинальная мощность электропривода питателя, кВт.
Для конвейерных (ленточных) питателей Тп определяется по формуле
Т =0.7(1 ^ 10^X1+^:). (10)
60
где !к - длина конвейера, м
Время запаздывания тп по каналу "пп - () п "определяется из выражения
Р
где Нп - высота падения руды до дробилки, м; g- ускорение свободного падения, м/с2.
Дробильный агрегат можно рассматривать как аппарат, выполняющий две операции -дробление и транспортирование руды. При дроблении в дробящем пространстве всегда имеется руда, которая под действием собственного веса перемещается вниз. Скорость перемещения руды,
соторая определяет производительность дробилки и крупность дробленого продукта, зависит от физико-механических свойств руды. Время замены в дробящем пространстве руды одного качества рудой другого качества, принимаемое за постоянную времени дробилки Тдр определяется количеством руды в дробящем пространстве и производительностью дробилки.
По основным каналам связи процесс дробления идентифицируется инерционным звеном первого порядка с запаздыванием:
^,(р)=-Це"РОф (12)
ТдрР + 1
Постоянная времени дробилки определяется из выражения
Т24= 3600 „ р V (П)
<2р
где ц - коэффициент разрыхления руды в дробилке; р - плотность руды, т/м3 У - объём руды в дробящем пространстве, м}; (}р- производительность дробилки , т/ч.
За время запаздывания т24 можно принять время падения мелких фракций от загрузочного отверстия до разгрузочной щели дробилки:
т24=адр ■ 04)
где адр - коэффициент, учитывающий несвободное падение руды, изменяющийся в пределах 1.5-2,5; Н - величина пути падения от загрузочной до разгрузочной щели дробилки, м.
Коэффициенты передачи по различным каналам рассчитываются по качественно-количественной схеме процесса дробления и с учетом технических характеристик дробилки.
В общем случае процесс грохочения по отдельным каналам можно идентифицировать передаточной функцией инерционного звена первого порядка с запаздыванием:
к -рар
%(Р)==гйте . (15)
причём соотношение инерционной и запаздывающей составляющих изменяется в зависимости от конкретного канала связи.
В нашем случае передаточная функция грохота по каналу «расход руды на грохот -производительность грохота по надрешётному продукту» будет иметь вид:
рВ1
....... <16>
Время запаздывания определяется из выражения
т31=^ , (17)
Ир
где £ гр - длина рабочей части грохота, м; угр - средняя скорость движения руды по грохоту, м/с.
Средняя скбрость движения материала для самобалансных грохотов составляет 0,2-0,25, для инерционных наклонных грохотов - 0,5-0,65 м/с.
Коэффициенты передачи К3| определяются по качественно-количественной схеме. Передаточная функция грохота по каналу «расход руды на грохот - производительность грохота по подрешёТному продукту» имеет вид
(Р) = —Г > <18>
Т34Р+ »
причём постоянная времени определяется приближённо:
^4«(0,3-0,4)Г31> (19)
а коэффициент передачи определяется по качественно-количественной схеме.
Передаточная функция конвейера
р Г 41
V/,, (р) = е , (20)
где Т4 г время транспортного запаздывания, определяемое длиной конвейера Чг и скоростью движения ленты конвейера уг:
и
т„=- (2.)
Подобным образом производится структурная и параметрическая идентификация элементов технологического комплекса по другим каналам управления и связи.
Коэффициенты передачи по отдельным каналам определяются по качественно-количественной схеме конкретного технологического комплекса с учётом весовых коэффициентов, учитывающих влияние входных параметров на выходные.
В общем случае, разработанные по данной методике алгоритмические структуры моделей технологических комплексов позволяют исследовать объект управления в широком диапазоне изменения передаточных коэффициентов комплекса, изучить характер и степень влияния технологических обратных связей в типовых, достаточно сложных комплексах, изучить влияние различного рода возмущающих воздействий на характер переходных процессов в синтезируемой системе по любому каналу управления.
Моделирование автоматических систем управления сложными технологическими комплексами с использованием алгоритмических структур моделей их различных каналов позволяет определять и оптимальную структуру многоконтурных систем управления, легко, с достаточной для практических целей точностью определять оптимальные значения параметров настройки регуляторов основных и корректирующих контуров.
УДК 622.7-52:51.001
Е.В. Прокофьев, В.Н. Ефремов
СТРУКТУРА ОБУЧАЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБОГАЩЕНИЯ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ИМИ
Целью разработки учебно-исследовательской обучающей программы системы автоматизированного проектирования автоматических систем управления является формирование
56
