Автоматизированное управление эффективностью вельц-процессов на основе оптимальной коррекции параметров технологических режимов

УДК 62-51

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ВЕЛЬЦ-ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ ОПТИМАЛЬНОЙ КОРРЕКЦИИ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ

Л.С. Казаринов, А.Р. Вернер гольд, О.В. Колесникова

AUTOMATIC EFFICIENCY MANAGEMENT OF ROTARY PROCESSES BASED ON OPTIMAL CORRECTION OF PARAMETERS OF TECHNOLOGICAL REGIMES

LS. Kazarinov, A.R. Vernergold, O.V. Kolesnikova

В статье рассматривается автоматизированное управление эффективностью велыд-процессов, типовые схемы работы оператора велыд-печи с использованием предложенной схемы управления. Проводится анализ влияния отклонений параметров технологических режимов на эффективность велыд-процессов и дается алгоритм их оптимизации.

Ключевые слова: вельц-процесс, вельц-печь, управление.

This article describes an automated performance management of rotary processes, templates of rotary kiln operator manipulations using the proposed control scheme. The analysis of influence of deviations of parameters of technological regimes on the efficiency of rotary processes are performed. Algorithm of its optimization is given.

Keywords: rotary process, rotary kiln, control

Введение

Типовой подход к управлению эффективностью вельц-процессов ставит перед собой задачу удержания рассматриваемого процесса в рамках технологического регламента, определяемого допусками на режимные параметры. Применение средств автоматизации позволяет здесь поставить задачу не только удержания процесса в рамках технологических допусков, но и поставить задачу оптимизации технологических параметров в рамках указанных допусков. В данной работе приводится алгоритм решения указанной задачи.

1. Формализованное описание отклонений

Из всех возможных отклонений, которые возникают при ведении вельц-процесса, выделим группу отклонений, которые непосредственно влияют на эффективность вельц-процесса. К таким отклонениям относят следующие:

-материал в печи сухой, сильно пылит при

сходе с разгрузочного конца печи, причем температура материала и в верхней головке печи нормальная;

- материал в печи не перекатывается, а «плывет», не сходит с разгрузочного конца печи, причем температура в верхней головке печи нормальная;

- повышенная / пониженная температура в верхней головке печи (более 800-850 °С / менее 600 °С);

- повышенная / пониженная температура сходящего из печи материала (более 1200-1230 °С / менее 1000 °С);

- образование железистых криц (шаров) в печи;

- образование металлизированной настыли около разгрузочного конуса печи.

Для формализованного описания отклонений вводятся переменные в относительных величинах. Введение относительных величин обеспечивает переносимость модельных соотношений относительно номинальных режимов.

Казаринов Лев Сергеевич - д-р техн. наук, профессор, декан приборостроительного факультета ЮУрГУ, кагаппоу@а11. susu.ac.ru

Вернергольд Александр Рудольфович - начальник цеха КИП, главный метролог ОАО «Челябинский цинковый завод»; arv@zmc.ru

Колесникова Ольга Валерьевна - канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики и управления ЮУрГУ, popova_ov@ait.susu.ac.ru

Kazarinov Lev Sergeevich - PhD, professor, dean of Electronics faculty of SUSU; kazarinov@ait.susu.ac.ru

Vernergold Alexander Rudolfovich - control and measuring apparatus superintendent, chief metrologist of «Chelyabinsk zinc plant» (open joint stock company); arv@zinc.ru

Kolesnikova Olga Valerievna - PhD, associate professor of Automation and control department of SUSU; pop-ova_ov@ait. susu .ac.ru

Кроме того, для описания возможных отклонений вводятся такие важные характеристики эффективного ведения вельц-процесса, как степень «пыления», степень «залегания», степень образования железистых криц и степень образования настылей. В свою очередь, для описания указанных степеней используются порядковые шкалы для того, чтобы оценить запасы по параметрам режима вельц-печи, необходимым для оптимизации вельц-процесса.

Далее рассмотрим модельные соотношения для отклонений, непосредственно влияющих на эффективность вельц-процесса, приведенных выше.

1. Устранение «пыления» материала при сходе (температура материала и в верхней головке вельц-печи нормальная):

З'пыль ~~ + Яі5хк 4* #2^-^верх >

где Упылъ - степень «пыления» материала при сходе; щ - коэффициенты влияния; 5хк - относительная величина расхода коксовой мелочи в шихту; 5Гверх - относительная величина температуры в

верхней головке вельц-печи; 5ГЬТХ - относительная величина температуры сходящего из вельц-печи материала.

Количественное значение степени «пыления» материала при сходе определяется с использованием следующей порядковой шкалы:

нет < слабо < сильно

О

1

.Упыль

Недостаток коксовой мелочи в шихте 8хк определяется в результате устранения рассматриваемого отклонения - пыления материала при сходе.

2. Устранение «залегания» материала в вельц-печи при нормальной температуре в верхней головке печи:

а0 + яг5хк + а2&¥*> + я35Квм +

У зал =-+я45х“

*0 ^^изв ^2&*пес ^З^^верх 9

где Узап - степень «залегания» материала в вельц-печи; аь Ь] - коэффициенты влияния; 8УВР - относительная величина расхода воздуха в реакционную зону вельц-печи; 5 Квм - относительная величина расхода воздуха на материал; дхИЗВ - относительная величина флюсовой добавки известняка; дхпес - относительная величина добавки формовочного песка.

Как видно из (1), «залегание» материала в вельц-печи описывается двумя соотношениями. Выбор того или иного соотношения осуществляется исходя из причины отклонения. Первое используется, если материал «плывет» по причине недостатка коксовой мелочи в шихте. Второе - из-за недостатка флюсового известняка в шихте при

повышенном содержании кремнезема или избытка песка в шихте (при его использовании).

Количественное значение степени «залегания» материала в вельц-печи определяется с использованием следующей порядковой шкалы:

нет < слабо < сильно

0

1

Узал

Относительная величина недостатка коксовой мелочи в шихте дхк, известняка дхть и песка &спес определяется в результате устранения «залегания» материала в вельц-печи.

3. Устранение повышенной / пониженной температуры в верхней головке вельц-печи (соответственно более 800-850 °С / менее 600 °С):

яг - \а° + а,5Храз + а28КвР + афК; верх ] „

1*0 + ^5хш + Ь2Ъхк + Ь36хш8х^

где 6храз - относительная величина разряжения в верхней головке печи; дхш - относительная величина расхода шихты в вельц-печь.

В формуле (2) первое соотношение используется в расчете в случае увеличенной / недостаточной тяги печи, второе - при недостаточной / избыточной загрузке шихты в печь.

4. Устранение повышенной / пониженной температуры материала при сходе (соответственно более 1200-1230 °С / менее 1000 °С):

а0 + а15*раз + а25КР + а38КЫ’

[ь0 + + ^5хк + 6з§хш8л£,

В формуле (3) первое соотношение используется в расчете, если причиной отклонения по температуре материала при сходе является увеличенная / недостаточная тяга печи; второе соотношение -при недостаточной / избыточной загрузке шихты в печь.

5. Устранение образования железистых криц (шаров) в вельц-печи:

.Укр % “Ь + ^4^пес 5

где укр - степень образования железистых криц в вельц-печи; <5хРе - относительная величина содержания железа в шихте.

Количественное значение степени образования железистых криц в вельц-печи определяется с использованием следующей порядковой шкалы:

нет < слабо < сильно

0

1

Укр

Относительные величины недостатка коксо-

вой мелочи в шихте дхк и песка 6хпес определяются

в результате устранения образования настылей.

6. Устранение образования металлизирован-

ной настыли около разгрузочного конуса печи:

Ута = ао +а1&к +<з25Гмвых + а35хРе +а48хпес,

где унаст - степень образования металлизированной настыли около разгрузочного конуса вельц-печи.

Количественное значение степени образования металлизированной настыли около разгрузочного конуса вельц-печи определяется с использованием следующей порядковой шкалы:

нет < слабо < сильно

0 1 Унаст

Относительные величины недостатка коксовой мелочи в шихте дхк и песка дхпес определяются в результате устранения образования настылей.

2. Общая схема управления

эффективностью вельц-процессов

Общая схема автоматизированного управления эффективностью вельц-процессов представлена на рис. 1.

Здесь представлена мнемосхема вельц-процесса, на которой указаны основные измеряемые параметры процесса, используемые в АСУ ТП. Непосредственно для управления используются две экранные формы:

- наблюдаемого состояния вельц-процесса;

- корректирующих действий.

Развернутая экранная форма наблюдаемого

состояния вельц-процесса приведена на рис. 2.

Представлены основные показатели, характеризующие вельц-процесс в установившемся режиме работы. Данные показатели характеризуют загрузку исходных материалов: шихты и коксовой мелочи, а также контроль состава шихты по добавке формовочного песка и флюсующей добавке известняка. Параметры загрузки исходных материалов, а также подачи воздуха в реакционную зону печи и на материал измеряются непрерывно. Что касается добавки формовочного песка и флюсовой добавки известняка, то их расход определяется один раз в сутки при формировании партии шихты.

Состояние вельц-процесса оценивается по температуре в верхней головке печи и температуре сходящего из печи материала, а также по выходу -вельц-окиси. Все указанные параметры заносятся в форму в относительных и абсолютных шкалах, а также заносятся и хранятся в базе данных ведения вельц-процесса. Выход вельц-окиси на шнеки является самым главным показателем вельц-процесса. Поэтому в АСУ ТП вельц-печи необходимо организовать непрерывное либо дискретное, но с минимальной дискретой времени, измерение и контроль данного показателя.

Что касается степеней «пыления», «скольжения», образования железистых криц и образования настылей, описываемых на основе порядковых шкал, то аппаратное измерение степеней невоз-

ІЕ

і

Экранная форма наблюдаемого состояния вельц-процесса

Экранная форма корректирующих действий

Рис. 1. Схема автоматизированного управления эффективностью вельц-процессов

Текущее значение Технологический допуск

Загрузка шихты, т/ч Загрузка коксовой мелочи, т/ч Флюсующая добавка известняка, т/ч Добавка формовочного песка, т/ч Подача воздуха в реакционную зону, м3/ч Подача воздуха на материал, м3/ч Разряжение, мм вод. ст.

Температура в верхней головке печи, °С Температура материала при сходе, °С Выход вельц-окиси на шнеки, кг/сут

Степень «пыдени!»

Степень «залегания»

Степень образования железистых криц Степень образования металлизированной настыли

отн.

абс.

отн.

абс.

отн.

абс,

отн.

абс.

отн.

абс.

отн.

абс.

отн.

абс.

0,9 0 1,3

18 0 26

отн.

абс.

отн.

абс.

Рис. 2. Пример экранной формы наблюдаемого состояния вельц-процесса

1,14 0 2,86

4 0 10

1,07 0,17 1,67

зд 0,5 5

0 0 2

0 0 10

1,13 0 2,5

2260 0 5000

1,03 0 2,5

2053 0 5000

0,9 0,25 2

-1,8 -0,5 -4

от 1,01 0,86 1,07

абс. 709 600 750

1,03 0,75 1,13

165 120 180

нет слабо сильно

нет слабо сильно

нет слабо сильно

нет слабо сильно

можно, поэтому данное действие осуществляет оператор вельц-процесса визуально, а затем выставляет величины степеней на экранной форме, например, с использованием сенсорного экрана.

На все приведенные выше параметры (параметры загрузки, состояния вельц-печи) устанавливаются технологические допуски. Технологические допуски устанавливаются технологами вельц-процесса на каждую загрузку вельц-печи. Ведение вельц-процесса осуществляется строго в рамках технологических допусков, определяемых регламентом вельц-процесса. Оптимизация процесса осуществляется за счет приведения параметров режимов к оптимальным значениям, их стабилизации и удержания в рамках технологических допусков.

Развернутая экранная форма корректирующих воздействий представлена на рис. 3. На экранной форме корректирующих воздействий присутствуют текущие, рекомендуемые и принятые параметры. Рекомендуемые параметры формируются на основе расчетов, принятые представляют собой значения, принимаемые оператором вельц-печи для осуществления корректирующих действий. Все параметры здесь даются в относительных и абсолютных величинах. Кроме того, на экранной форме (см. рис. 3) имеются две кнопки, которые используются для того, чтобы запомнить исходное состояние до корректирующих действий, а также запомнить результат после коррекции. Запомненные значения пополняют базу данных ведения вельц-процесса.

Подача шихты

Флюсующая добавка известняка

Текущее значение Рекомендация Принятое значение

отн.

абс.

0,9 —

18 -

отн. 1,07 —

абс. 3,2 - -

Добавка песка

Подача коксика

отн.

абс.

0 — -

0 - -

отн. 1,14 1,06 1,06

абс. 4 3,7 3,7

Подача воздуха в верхнюю головку печи

Подача воздуха на материал Разряжение

отн. 1,08 1,03 1,03

абс. 4313 4100 4100

отн. 1,03 - —

абс. 2053 - -

отн. 0,9 — —

абс. -1,8 - -

Рис. 3. Пример экранной формы корректирующих воздействий

Указанные экранные формы (см. рис. 2, 3) являются типовыми для ведения вельц-процесса в оптимальном режиме. В конкретных проектах АСУ ТП вельц-процесса число параметров и корректирующих действий может быть увеличено.

3. Типовые схемы работы оператора

вельц-печи

Рассмотрим далее типовые схемы работы оператора вельц-печи с использованием введенных экранных форм.

Ситуация № 1

Оператор печи наблюдает состояние вельц-процесса. Все параметры вельц-процесса находятся в пределах технологических допусков, отклонений характеристик не наблюдается. В этом случае корректирующих действий не требуется. Но по алгоритму корректирующие действия могут быть рассчитаны. Расчет производится после нажатия кнопки «Расчет корректирующих действий» В этом случае заполняется колонка «Рекомендация». При расчетных модельных соотношениях вельц-печи, адекватно отражающих свойства, рекомендуемые границы корректирующих действий должны отклоняться в положительную и отрицательную сторону относительно нуля. Это говорит о том, что выбор нулевого решения (отсутствует корректирующее действие) является допустимым.

В начальный период работы системы, когда база данных ведения вельц-процесса не является

заполненной, могут быть случаи, когда составляющие модельные зависимости, характеризующие вельц-печь, могут быть не построены. В этом случае в колонке «Рекомендация» выводится сообщение «Нет данных».

Ситуация № 2

На экранной форме предлагается отклонение состояния, превышающее технологический допуск. В этом случае система рассчитывает рекомендуемые корректирующие действия на основе статистической информации из истории ведения вельц-процесса. Корректирующие действия определяются в виде допусков. Оператор печи имеет возможность выбрать внутри допуска значение. Он вносит выбранное значение в колонку «Принятое» и совершает соответствующее корректирующее действие. В результате корректирующих действий состояние вельц-процесса возвращается в рамки технологического регламента, определяемого технологические допуски.

Ситуация № 3

Если в результате выполнения корректирующего действия система не возвращается в прежнее состояние, это говорит о том, что система расчетных соотношений неадекватно отражает свойства вельц-печи. В этом случае полученный фактический результат заносится в базу данных и с помощью новых данных осуществляется перерасчет всех расчетных соотношений, чтобы система учла новые данные и произвела на их основе идентифи-

кацию вельц-процесса. После этого корректирующие действия пересчитываются и снова производится коррекция вельц-процесса. В случае если коррекция повторно не удается, то решение задачи идентификации повторяется итерационно, до тех пор, пока рассчитанные данные и фактические данные характеристик вельц-процесса не будут противоречить друг другу.

Ситуация № 4

На основе рассматриваемой стратегии коррекции вельц-процесса можно решать задачи экспериментальной оптимизации вельц-процесса. Например, если ставится задача минимизировать потребление коксовой мелочи при ведении вельц-процесса, то после расчета рекомендаций по допустимым границам изменения подачи коксовой мелочи нужно выбрать минимально допустимое значение подачи и реализовать это как корректирующее действие. Если в результате данного действия вельц-процесс останется в рамках технологического допуска, то новое состояние процесса заносится в базу данных и решается задача идентификации вельц-процесса с новыми исходными данными. На основе адаптированной системы отношений производится расчет новых рекомендации по корректирующим действиям, среди которых будут и рекомендации изменения подачи коксовой мелочи в рамках допуска. Снова выбираем минимально допустимое значение подачи коксовой мелочи и весь процесс итерационно повторяется. Последовательно процесс оптимизации повторяется до достижения нижней грани потребле-

ния коксовой мелочи либо при выходе на границу технологического допуска.

Заключение

1.На всех этапах вельцевания цинковых ке-ков, как правило, присутствуют отклоненя от оптимального ведения технологического процесса. Из всех возможных отклонений выделена группа отклонений, которые непосредственно влияют на эффективность вельц-процесса.

2. Приведено формализованное описание отклонений с использованием переменных в относительных величинах для обеспечения переносимости модельных соотношений относительно номинальных режимов, а также характеристик эффективного ведения вельц-процесса (степени «пыле-ния», степени «залегания», степени образования железистых криц и степени образования настылей) в порядковых шкалах для оценки запасов по параметрам режима вельц-печи, необходимым для оптимизации вельц-процесса.

3. Представлено описание общей схемы автоматизированного управления эффективностью вельц-процессов.

4. Рассмотрены типовые схемы работы оператора вельц-печи с использованием предложенной схемы автоматизированного управления эффективностью вельц-процессов.

Литература

1. Козлов, П. А. Вельц-процесс/ПЛ. Козлов. -М.. Издательский дом «Руда и металлы», 2002. -176 с.

Поступила в редакцию 23 декабря 2009 г.