СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ КОМПОНЕНТОВ
SYSTEM OF CONTROL OF FREE-FLOWING COMPONENTS

Изобретение относится к устройствам для контроля и управления процессом смешивания текущих потоков сыпучих компонентов и может широко применяться в химической, строительной, силикатной, горнорудной, агломерационной, металлургической и других отраслях промышленности.
Известно устройство для управления процессом смешивания сыпучих материалов, включающее анализатор химического состава сырьевых компонентов и шихты, расходомеры, регуляторы расходов сырьевых компонентов, регулируемые дозаторы (см. сб. «Автоматизация технологических процессов в промышленности строительных материалов», Алма-Ата: Казахстан, 1982, В.И.Кубанцев, А.Н.Калинин, А.Е.Киндер, Е.И.Обухова. АСУТП смешивания шликерных масс в керамическом производстве, стр.92-96).
Недостатком этого устройства является низкая эффективность управления процессом смешивания сыпучих компонентов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство управления процессом смешивания сыпучих материалов, предусматривающее дополнительный блок прогнозирования возмущений, обусловленных отклонениями фактических результатов анализа от расчетных значений (а.с. СССР №1122516, кл. В28С 7/04, опубл. 07.11.1984 г.).
Недостатком этого устройства является запаздывание информации о результатах измерений, что снижает эффективность управления процессом смешивания сыпучих компонентов.
Технический результат использования изобретения заключается в повышении эффективности управления процессом смешивания сыпучих материалов за счет прогнозирования средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов, например, железа, серы, окиси кальция, двуокиси кремния, в емкости усреднения, например, на складе концентратов, на период ее полной загрузки.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что система, содержащая n накопительных емкостей, анализатор химического состава i-го сырьевого компонента в накопительных емкостях, поточный транспортер, конвейерные весы, регулятор расхода i-го сырьевого компонента, дополнительно содержит регулируемый привод поточного транспортера, блок расчета значений массы i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, блок расчета значений содержаний химических элементов и оксидов в i-ом сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, блок расчета средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, блок расчета значений постоянной времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, блок расчета значений коэффициента передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, блок расчета прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов и переходной функции прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения на весь период ее формирования, блок расчета целевой функции, блок расчета оптимального задания регулятору расхода i-го сыпучего сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения, блок синхронизации значений масс сырьевых компонентов, поступающих в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, значений содержаний химических элементов и оксидов в сырьевых компонентах, поступающих в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, значений средневзвешенных содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, значений постоянной времени динамического звена и значений коэффициента передачи динамического звена, при этом накопительные емкости соединены с входом анализатора, выход которого соединен с первым входом блока расчета содержаний химических элементов и оксидов в i-ом сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, первый выход конвейерных весов соединен с первым входом регулятора расхода i-го сырьевого компонента, выход которого соединен с входом регулируемого привода поточного транспортера, второй выход конвейерных весов соединен с первым входом блока расчета массы i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, первый, второй и третий выходы блока расчета массы i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, соединены с соответствующими им первым, вторым, третьим входами блока расчета средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, первый, второй, третий выходы блока расчета содержаний химических элементов и оксидов в i-ом сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, соединены с соответствующими им четвертым, пятым, шестым входами блока расчета средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, первый, второй, третий выходы блока расчета средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени соединены с соответствующими им первым, вторым, третьим входами блока расчета значений постоянной времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, а также с соответствующими им первым, вторым, третьим входами блока расчета значений коэффициента передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, выход блока расчета значений постоянной времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, и выход блока расчета значений коэффициента передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, соединены с соответствующими им первым и вторым входами блока расчета прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов и переходной функции прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения на весь период ее формирования, выход которого соединен с входом блока расчета целевой функции, выход которого соединен с блоком расчета оптимального задания регуляторам расходов сыпучих сырьевых компонентов, поступающих в емкость усреднения, выход которого соединен со вторым входом регулятора расхода i-го сырьевого компонента, выходы блока синхронизации работы соединены с соответствующими им вторыми входами блоков расчета значений массы i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени и значений содержаний химических элементов и оксидов в i-ом сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, седьмым входом блока расчета средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, четвертыми входами блоков расчета значений постоянной времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения и значений коэффициента передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения.
На чертеже изображена структурная схема системы управления процессом смешивания сыпучих компонентов.
Система управления процессом смешивания сыпучих компонентов включает накопительные емкости 1, соединенные с входом анализатором 2 химического состава i-го сырьевого компонента, поточный транспортер 3, регулируемый привод 4 поточного транспортера 3, конвейерные весы 5, первый выход которых соединен с первым входом регулятора 6 расхода i-го сырьевого компонента, выход которого соединен с входом регулируемого привода 4 поточного транспортера 3, емкость усреднения 7.
В системе в качестве дополнительных блоков расчета 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, и синхронизации - 16, используется IBM PC совместимый компьютер, в котором по специальным программам, алгоритм которых описан ниже, осуществляются операции суммирования, вычитания, интегрирования, синхронизации сигналов и дальнейшей обработки величин, определяемых математической постановкой задачи.
Выход анализатора 2 химического состава i-го сырьевого компонента, установленного на выходах накопительных емкостей 1, соединен с первым входом блока 9 расчета значений содержаний химических элементов и оксидов, например, , ,  железа, серы, оксида кальция, двуокиси магния, в i-ом сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, по зависимостям:
i
m
где Fe - содержание одного из химических элементов и оксидов, например, железа, в i-ом сырьевом компоненте в момент времени t, %.
Второй выход конвейерных весов 5 соединен с входом блока 8 расчета значений масс ,  и  i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, по зависимостям:
0
где t - интервал квантования, с;
i
m
m
Q(t) - расход i-го смешиваемого сырьевого сыпучего компонента в момент времени t, кг/с.
k-1
k
k+1
Первые, вторые и третьи выходы блока 8 расчета значений масс ,  и  i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, и блока 9 расчета значений содержаний химических элементов и оксидов, например, , ,  железа, серы, оксида кальция, двуокиси магния, в i-ом сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+l)-й интервалы времени, соответственно соединены с первым, вторым, третьим и четвертым, пятым, шестым входами блока 10 расчета средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов, например, железа, в емкости усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, по зависимостям:
k-1
k
k+1
k-1
k
k+1
Первый, второй, третий выходы блока 10 расчета средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени соединены с соответствующими им первым, вторым, третьим входами блока 11 расчета значений постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, по формуле
,
k-1
k
k+1
а также с соответствующими им первым, вторым, третьим входами блока 12 расчета значений коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения по формуле:
.
k-1
k
k+1
k-1
k
k+1
Выход блока 11 расчета значений постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, и выход блока 12 расчета значений коэффициента K передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, соединены с соответствующими им первым и вторым входами блока 13 расчета прогнозируемых средневзвешенных значений  содержаний химических элементов и оксидов и переходной функции β(t) прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения на весь период ее формирования по зависимостям
β(t)=К*(1-exp(-t/T))
ш
где Т - период формирования емкости усреднения 7, с;
t - текущее время, час;
Т - инерционность емкости усреднения, час.
Выход блока 13 расчета прогнозируемых средневзвешенных значений  содержаний химических элементов и оксидов и переходной функции β(t) прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 на весь период ее формирования соединен с входом блока 14, рассчитывающего целевую функцию J, выход которого соединен с входом блока 15 расчета оптимального задания регулятору 6 расхода i-го сыпучего сырьевого компонента, обеспечивающий минимальные отклонения прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов или оксидов в емкости усреднения 7 от заданного значения, по зависимости:
*
где β - требуемое содержание химического элемента или оксида в емкости усреднения, %.
Выход блока 15 расчета оптимального задания регулятору 6 расхода i-го сыпучего сырьевого компонента непосредственно соединен с регулятором 6 расхода i-го сыпучего сырьевого компонента.
k-1
k
k+1
Блок 16 синхронизирует работу блоков 8, 9, 10, 11, 12, выходы блока 16 синхронизации работы соединены с соответствующими им вторыми входами блока 8 расчета значений массы ,  и  i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, и блока 9 расчета значений содержаний химических элементов и оксидов в i-ом сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, седьмым входом блока 10 расчета средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 за (k-1)-й, k-й,
k-1
k
k+1
k-1
k
k+1
(k+1)-й интервалы времени, четвертыми входами блока 11 расчета значений постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения и блока 12 расчета значений коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения.
Система работает следующим образом.
Исходный материал смешиваемых сырьевых сыпучих компонентов из накопительных емкостей 1 поступает по поточным транспортерам 3, например ленточным конвейерам 3, в емкость усреднения 7, при этом непрерывное измерение расхода i-го сырьевого компонента осуществляется конвейерными весами 5, например, типа ВЕКО 2М фирмы Метран.
Сигнал с первого выхода конвейерных весов 5 поступает на вход регулятора 6 расхода i-го компонента, со второго - на первый вход блока 8 расчета значений масс ,  и  i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения 7 за
(k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени.
Установленный на выходах накопительных емкостей 1 анализатор 2 химического состава i-го сырьевого компонента, например, рентгено-флуоресцентный анализатор «МЭДА» осуществляет дискретный экспрессный количественный анализ i-го сырьевого компонента, выход анализатора 2 химического состава 1-го сырьевого компонента в накопительных емкостях соединен с первым входом блока 9 расчета значений химических элементов и оксидов, например,  и  железа, серы, оксида кальция, двуокиси магния, в i-ом сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени.
Первый, второй, третий выходы блока 8 расчета значений массы ,  и  i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, и блока 9 расчета значений содержаний химических элементов и оксидов в i-ом сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым, пятым, шестым входами блока 10 расчета средневзвешенных значений
k-1
k
k+1
Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов, например, железа, в емкости усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени.
k-1
k
k+1
k-1
k
k+1
k-1
k
k+1
Первый, второй, третий выходы блока 10 расчета средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени соединены с соответствующими им первым, вторым, третьим входами блока 11 расчета значений постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, а также с соответствующими им первым, вторым, третьим входами блока 12 расчета значений коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения.
k-1
k
k+1
k-1
k
k+1
Выход блока 11 расчета значений постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, и выход блока 12 расчета значений коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения соединены с соответствующими им первым и вторым входами блока 13 расчета прогнозируемых средневзвешенных значений  содержаний химических элементов и оксидов и переходной функции β(t) прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 на весь период ее формирования, выход которого соединен с входом блока 14, рассчитывающего целевую функцию J, выход которого соединен с входом блока 15 расчета оптимального задания регулятору 6 расхода i-го сыпучего сырьевого компонента, обеспечивающий минимальные отклонения прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов или оксидов в емкости усреднения 7 от заданного значения, выход блока 15 расчета оптимального задания регулятору 6 расхода i-го сыпучего сырьевого компонента непосредственно соединен с регулятором 6 расхода i-го сыпучего сырьевого компонента. Блок 16 синхронизирует работу блоков 8, 9, 10, 11, 12.
k-1
k
k+1
Благодаря введенным блокам и связям учитывается динамика изменения средневзвешенных значений Y, Y и Y содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, расчет прогнозирования средневзвешенных значений  химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 на период ее полной загрузки позволяет уменьшить величину отклонений прогнозируемых средневзвешенных значений  содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 от заданного значения и достичь технического результата изобретения - повысить эффективность управления процессом смешивания сыпучих компонентов.