Разработка и исследование системы автоматического управления измельчительным комплексом с применением импульсной электромагнитной обработки руды

На правах рукописи

ОСИПОВА Нина Витальевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНЫМ КОМПЛЕКСОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ РУДЫ

Специальность 05.13.06 – «Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами» (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата тех нических наук

Москва 2013111 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО

«Московский государственный горный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

ПЕВЗНЕР ЛЕОНИД ДАВИДОВИЧ

Официальные оппоненты: доктор технических наук

ЧЕРНЯК ЗИНОВИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ,

ЗАО «ПРОМТЕХ», технический директор;

кандидат технических наук

ЗАКУТСКИЙ ЕВГЕНИЙ ЛЕОНИДОВИЧ,

ФГБУН «Институт проблем комплексного

освоения недр РАН»,

старший научный сотрудник лаборатории

геотехнологических рисков

Ведущее предприятие ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет им. В.С. Черномырдина» (г. Москва)

ОАО «СОЮЗЦВЕТМЕТАВТОМАТИКА», г. Москва

Защита диссертации состоится 01-марта 2013-г. в-13 часов на заседании диссертационного совета Д-212.128.07 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан 31 января 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор ГОНЧАРЕНКО С.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Процессы переработки труднообогатимого рудного сырья занимают особое место на горно-обогатительных комбинатах России и за рубежом. При этом решающую роль играет измельчение полезных ископаемых, так как именно оно во многом определяет качество получаемой продукции, от продажи которого зависит прибыль горнорудного предприятия. Процесс измельчения характеризуется большой энергоемкостью – примерно 55-60% энергии от общих энергозатрат железорудных ГОКов расходуется на процесс измельчения. К примеру, годовое потребление энергии фабрик, перерабатывающих около 30 млн. тонн руды в год, превышает в среднем 1,5 млрд. кВт·ч. При этом в себестоимости готового продукта-концентрата измельчение составляет порядка 50%.

Приведенные данные дают представление об экономическом эффекте, который может быть получен на ГОКах при оптимизации режимов энергопотребления мельниц, что, в свою очередь, связано с управлением заполнением их измельчаемым материалом.

Отклонение степени внутримельничного заполнения от заданного значения приводит к снижению производительности и эффективности. Считается, что максимальная эффективность измельчения соответствует и наилучшей технологической эффективности, когда производительность по готовому классу максимальна. Поэтому снижение энергоемкости помола является важной народнохозяйственной проблемой. Ее решения возможно достигнуть средствами автоматизации и управления технологическим процессом измельчения, а также применением различных способов предварительной обработки сырья перед измельчением, позволяющих вызывать изменение крепости, твердости, прочности, измельчаемости, модуля упругости, хрупкости и др. Эти способы требуют автоматического регулирования режимов воздействия в зависимости от изменяющихся условий.

Поэтому задача разработки автоматической системы управления измельчительным комплексом остается актуальной.

Целью исследования является разработка структуры системы автоматического управления измельчительным комплексом, содержащим средство для импульсной электромагнитной обработки руды, которое позволяет повысить производительность работы мельницы.

Задачи исследования. Указанная цель определила следующие задачи исследования:

• найти оптимальный режим разупрочнения рудного материала при электромагнитном воздействии на него;
• разработать обобщенную математическую модель функционирования измельчительного комплекса;
• разработать алгоритм управления процессом импульсной электромагнитной обработки руды;
• разработать структуру системы автоматического управления процессом импульсной электромагнитной обработки руды;
• разработать структуру системы автоматического управления измельчительным комплексом с применением импульсной электромагнитной обработки руды.

Идея работы состоит в использовании системы автоматического управления средством электромагнитного воздействия, разупрочняющего рудный материал, для повышения производительности измельчительного комплекса.

Защищаемые научные положения:

1. Получено функциональное соотношение для определения оптимального значения параметра импульсного воздействия при разупрочнении рудных материалов, который используется в алгоритме управления процессом импульсной электромагнитной обработки руды.
2. Разработана математическая модель функционирования измельчительного комплекса как объекта управления, отличающаяся более полным описанием компонентов комплекса и позволяющая исследовать влияние импульсной электромагнитной обработки руды на показатели работы комплекса.
3. Разработана структура системы автоматического управления процессом импульсной электромагнитной обработки руды, позволяющей поддерживать режим импульсного воздействия на рудный материал при нестабильности характеристик пульпы.
4. Разработана структура системы автоматического управления измельчительным комплексом с применением импульсной электромагнитной обработки руды, которая адаптивно изменяет параметр регулятора в зависимости от физико-механических свойств рудного материала и позволяет повысить производительность измельчительного комплекса.

Научная новизна работы:

1. Впервые получено функциональное соотношение, позволяющее определять оптимальное значение параметра импульсного воздействия при разупрочнении рудных материалов, который используется в алгоритме управления процессом импульсной электромагнитной обработки руды.
2. Предложенная математическая модель функционирования измельчительного комплекса как объекта управления отличается от известных более полным описанием компонентов комплекса и позволяет исследовать влияние импульсной электромагнитной обработки руды на показатели работы комплекса.
3. Предложенная структура системы автоматического управления измельчительным комплексом отличается от известных наличием в ней дополнительной локальной системы автоматического управления процессом импульсной электромагнитной обработки руды.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы структурного анализа, методы классической теории автоматического управления, методы статистического анализа, схемотехнического и математического моделирования. Применено современное программное обеспечение Microсap-9, Matlab 7.11.0, MS Excel-2010 для построения моделей и обработки данных.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждаются корректным применением методов описания динамики измельчительных агрегатов, методов статистического анализа и классической теории автоматического управления; актами об использовании результатов диссертационной работы и патентом на изобретение.

Практическая значимость.

1. Впервые предложена структура системы автоматического управления процессом электромагнитной обработки руды, которая позволит поддерживать режим импульсного воздействия на рудный материал при нестабильности характеристик пульпы.
2. Впервые предложена структура системы автоматического управления измельчительным комплексом с применением импульсной электромагнитной обработки руды, которая позволит адаптивно изменять параметр регулятора в зависимости от физико-механических свойств руды и повысить производительность измельчительного комплекса.
3. Предложенная математическая модель, разработанная структура системы автоматического управления измельчительным комплексом и алгоритм управления процессом электромагнитной обработки руды могут быть использованы для построения АСУТП, что расширяет возможности автоматизации измельчительных агрегатов на обогатительных фабриках.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы использованы при проектировании опытной партии промышленного оборудования, поставляемого в рамках инновационного контракта на Аньшаньский горно-металлургический комбинат (КНР), а также планируются к использованию при формировании перспективных планов развития производства товарной продукции ОАО «Евразруда». Предложенная структура системы автоматического управления измельчительным комплексом и методика построения математических моделей измельчительных агрегатов используются при чтении дисциплин «Элементы и устройства систем управления», «Электромеханические системы», «Моделирование систем управления» в процессе подготовки специалистов по направлению 220400 — «Управление в технических системах».

Личный вклад автора заключается в постановке целей и формулировке задач исследований, выборе теоретических и расчетных методов их решения. Автор принимал непосредственное участие в разработке алгоритма управления процессом импульсной электромагнитной обработки, модели функционирования измельчительного комплекса, структуры системы автоматического управления измельчительным комплексом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII, XVI Международных экологических конференциях студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновационные и высокие технологии XXI века» (МГГУ- 2008, 2012 гг.), на семинарах 5-й Международной научной школы молодых ученых и специалистов (г. Москва, ИПКОН РАН, 2008 г.), ежегодном научном симпозиуме «Неделя горняка» (МГГУ, 2009 г.), на научных семинарах кафедры «Автоматика и управление в технических системах» (МГГУ, 2009 — 2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, 4 из которых входят в перечень ВАК Минобрнауки. Получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 110 наименований, содержит 47 рисунков и 2 таблицы.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность кандидату технических наук, доценту Валерию Александровичу Грошеву, а также кандидату технических наук, Генеральному директору «Научно-образовательного центра «Инновационные горные технологии» Павлу Петровичу Ананьеву за постоянную помощь в выполнении работы, ценные предложения и обсуждение результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена проблеме снижения энергоемкости помола и повышения производительности работы измельчительного комплекса. Представлен обзор и анализ известных способов предварительного воздействия на горную породу с целью изменения ее физико-механических свойств, а также применяемых систем автоматического управления измельчительным комплексом.

Объектом исследований в диссертационной работе является измельчительный комплекс, содержащий следующие компоненты:

- бункер, где находится руда, прошедшая процесс дробления;

- пластинчатый питатель, на который подается руда из бункера;

- конвейеры, обеспечивающие подачу руды на измельчение;

- мельницу мокрого самоизмельчения ММС, предназначенную для помола руды;

- бутару, посредством которой происходит выделение гальки и готового измельченного продукта;

- возвратный конвейер, обеспечивающий возврат рудной гальки обратно в ММС либо направляющий ее на следующую стадию измельчения в зависимости от положения шибера;

--классификатор, обеспечивающий возврат недоизмельченного продукта - песков обратно в мельницу.

Пески классификатора характеризуются более низкой измельчаемостью по сравнению с исходной рудой, подаваемой с конвейера, что существенно повышает энергоемкость процесса измельчения.

Проблеме создания энергосберегающих технологий посвящен ряд работ С.А. Гончарова, В.А. Чантурии, Г.Я. Новика, М.Г. Зильбершмидта, П.П. Ананьева, В.И. Ревнивцева, С.Д. Викторова, В.А. Кузьмина, И.Ж. Бунина, В.П. Бруева, В.Ю. Иванова, О.А. Азимова, и др. Одним из ее основных направлений является управление физико-механическими свойствами минерального сырья путем предварительной обработки материала для его разупрочнения перед определенным технологическим процессом на этапе рудоподготовки.

Управление свойствами горных пород может быть реализовано с помощью различных способов разрушения: механические нагрузки, сверхвысокочастотный нагрев, воздействие тепловым полем, ультразвуковыми колебаниями, мощными наносекундными импульсами, излучениями, электромагнитным полем и др.

В последние годы активно ведутся работы в области исследования воздействия на рудный материал переменным электромагнитным полем. Это технология, получившая название импульсной электромагнитной обработки, обеспечивает в горной породе большое количество дефектов за счет явлений магнитострикции, электрострикции и обратного пьезоэффекта. Достоинством данного способа является возможность работы при больших рудопотоках, применение на рудах неоднородного по своим свойствам минерального состава, низкие энергозатраты, относительная простота технической реализации, длительный ресурс работы.

Поэтому для снижения энергоемкости помола выбор способа воздействия на рудный материал делается в сторону более перспективной технологии импульсной электромагнитной обработки для разупрочнения.

Помимо снижения энергоемкости помола, одной из важнейших задач обогатительных фабрик является обеспечение максимальной производительности технологической секции по руде.

Вопросу разработки систем автоматического управления измельчительным комплексом, применение которых позволило в какой-то степени решить указанную задачу, уделялось внимание в работах А. Н. Марюты, Ю.Г. Качана, В.А. Бунько, В.З. Козина, О.Н. Тихонова, В.С. Виноградова, К.Я. Улитенко, И.В. Новицкого, А.И. Аникина, М.Е. Тараненко и др.

Следует выделить три известных локальных системы автоматического управления, входящих в общую систему автоматического управления измельчительным комплексом:

--систему поддержания оптимальной внутримельничной нагрузки измельчаемым материалом или мощности мельницы, обеспечивающую стабилизацию ее заполнения посредством регулирования производительности по исходной руде;

--систему стабилизации транспортирования материала внутри мельницы, обеспечивающую пропорциональное изменение расхода воды в мельницу при отклонении расходов руды, подаваемой в мельницу с конвейера и расхода песков классификатора по твердому;

--систему стабилизации содержания готового класса или плотности слива классификатора, изменяющей расход воды в классификатор, при отклонении содержания готового класса от заданного значения.

В диссертационной работе рассмотрен следующий подход к решению задачи оптимального управления измельчительным комплексом: применение помимо трех указанных локальных систем дополнительной системы автоматического управления процессом импульсной электромагнитной обработки руды. Полученная таким образом система автоматического управления измельчительным комплексом позволит повысить производительность секции по руде, намного больше по сравнению с известными системами автоматического управления измельчительным комплексом.

Во второй главе представлен критерий максимального разупрочнения руды, на основе которого получено функциональное соотношение для определения оптимального значения параметра импульсного воздействия при разупрочнении рудных материалов. Определены основные задачи управления процессом электромагнитной обработки руды. Предложен алгоритм управления данным процессом с использованием найденного параметра.

Технология импульсной электромагнитной обработки руд заключается в пропускании руды через отрезок диэлектрического трубопровода, на котором размещена система электромагнитных катушек, генерирующая импульсы в непрерывном автоматическом режиме.

Из теории влияния электромагнитного поля на материал известно, что воздействие магнитного и электрического полей на горную породу приводит к возникновению механических напряжений. При этом электромагнитную обработку пород:

а)-содержащих пьезоэлектрики или электрострикторы – целесообразно проводить при высоких значениях электрического поля;

б)-содержащих магнитострикторы — при высоких значениях напряженности магнитного поля;

в)-пород- полиминералов, включающих все вышеперечисленные компоненты, — при высоких значения обоих полей.

Устройство для импульсной электромагнитной обработки пород генерирует как низкочастотное магнитное HНЧ и электрическое ЕНЧ, так и высокочастотное магнитное HВЧ и электрическое ЕВЧ поля (рис. 1).

Известны работы, в которых предлагается механические напряжения в рудном материале, возникающие при его импульсной электромагнитной обработке описывать по аналогии со структурными термическими напряжениями, возникающими на границах минеральных зерен при нагреве. При этом выделяются две области индуктора установки для импульсной электромагнитной обработки:

А-—-область, где вектора напряженностей магнитного поля перпендикулярны HНЧHВЧ, а электрического — параллельны ЕНЧ ||ЕВЧ;

Б — область, где вектора напряженностей магнитного и электрического полей параллельны HНЧ || HВЧ, ЕНЧ ||ЕВЧ.

Определим суммарные механические напряжения, возникающие в руде, расположенной в областях А и Б индуктора установки для импульсной электромагнитой обработки А, Б, для простоты полагая, что в рудный материал входят зерна только двух минералов:

- для руд, содержащих минералы-магнитострикторы:

23

45

- для руд, содержащих минералы-электрострикторы или пьезоэлектрики:

67

- для пород-полиминералов:

89

1011

где 1, 2 — суммарный коэффициент обратного пьезоэффекта и электрострикции двух соприкасающихся минералов в руде, м/В;

1, 2 — коэффициент магнитострикции двух соприкасающихся минералов в руде, м/А;

G1, G2 — модули упругости двух соприкасающихся минералов в руде, МПа.

Выражения (1) — (5) показывают, существует прямая взаимосвязь между напряженностями низкочастотного и высокочастотного магнитного HНЧ, HВЧ и электрического ЕНЧ, ЕВЧ полей и механическими напряжениями, возникающими при электромагнитном воздействии на горную породу А, Б.

Поэтому критерием максимального разупрочнения является максимальное значение напряженности магнитного и электрического полей, воздействующих на рудный материал.

Очевидно, что HНЧ, НВЧ одновременно достигают максимума при совпадении наибольших амплитуд низкочастотного и высокочастотного полей HНЧmax, HВЧmax, то есть при задержке воздействия второго поля относительно первого tз, как показано на рис. 1, а. Поскольку магнитное поле изменяется по синусоидальному закону с частотой, то, как нетрудно увидеть из рис. 1, а, параметр

1213

где НЧ, ВЧ — циклическая частота полей, создаваемых низкочастотным и высокочастотным индуктором соответственно, Гц. Заменяя , получим:

1415

где LНЧ, LВЧ — индуктивности низкочастотного и высокочастотного индукторов соответственно, мкГн; СНЧ, СВЧ — емкости конденсаторов в цепи низкочастотного и высокочастотного индукторов соответственно, мкФ.

При электромагнитной обработке пьезоэлектриков и электростикторов временную задержку находить не требуется, так как ЕНЧ, ЕВЧ достигают максимума уже в начальный момент, как видно из рис.1, б.

Рис. 1. Временные диаграммы напряженности магнитного HНЧ, НВЧ

и электрического ЕНЧ, ЕВЧ полей, создаваемых индукторами

установки для электромагнитной обработки руды

Полиминералы требуют больших значений напряженностей как магнитного, так и электрического полей. Однако электрическое поле, создаваемое индукторами установок для электромагнитной обработки, на два порядка ниже магнитного, коэффициент 2, как правило, не превосходит 1. Поэтому главным фактором, обеспечивающим разупрочнение полиминералов, является магнитное поле.

Необходимость нахождения временной задержки tз возникает только при разупрочнении материалов-магнитострикторов и полиминералов, требующих высоких значений HНЧ, НВЧ. Полученное функциональное соотношение (7) позволяет найти оптимальный параметр обработки руды — временную задержку воздействия высокочастотного поля, создаваемого индуктором устройства для электромагнитной обработки рудного материала, относительно низкочастотного tз.

Эффективность измельчения с использованием электромагнитного воздействия во многом обусловлена выбором и поддержанием на оптимальном уровне определенного режима электромагнитной обработки, характеризующегося количеством импульсов на каждую порцию рудного материала, проходящего через индуктор установки. Количество импульсов N прямо пропорционально частоте следования импульсов обработки fсл и обратно пропорционально скорости пульпы vп, проходящей через индуктор длиной lи:

1617

Из (8) следует, что поддержание оптимального режима на практике оказывается зачастую невыполнимым из-за нестабильности характеристик пульпы, влияющих на ее скорость.

При отклонении скорости пульпы режим электромагнитного воздействия на рудный материал перестает быть оптимальным, что отрицательно влияет на работу измельчительного агрегата.

Поэтому первая задача управления заключается в стабилизации режима электромагнитной обработки при нестабильности характеристик пульпы, которую можно достигнуть пропорциональным изменением параметра fсл при отклонении vп (см. ф. 8).

Для изучения влияния режимов обработки на изменение физико-механических свойств рудного материала различного сорта в НП «Научно-образовательный Центр «Инновационные горные технологии» были проведены лабораторные исследования, в результате которых получены регрессионные модели, отражающие зависимость между коэффициентом относительной измельчаемости руды kизм и количеством импульсов N для трех различных сортов рудного материала:

а) сорт руды № 1 (коэффициент детерминации R2=0,9435):

1819

б) сорт руды № 2 (коэффициент детерминации R2=0,8987):

2021

в) сорт руды № 3 (коэффициент детерминации R2=0,8903):

2223

Коэффициент kизм определяется отношением удельных производительностей по готовому классу исследуемой (с обработкой) и эталонной (без обработки) руд. Чем выше kизм, тем больше возможность увеличить расход руды в мельницу.

Однако выбор оптимальных режимов по данным лабораторных тестов затруднителен по ряду причин: несоответствие лабораторных и производственных условий измельчения, изменение технических характеристик измельчительного оборудования после проведения планово-предупредительных ремонтов, колебания физико-механических свойств руды и др.

Следовательно, вторая задача управления заключается в адаптации режима к изменяющимся физико-механическим свойствам рудного материала.

На сегодняшний день не существует средств измерения физико-механических свойств руды. Однако известно, что их изменение вызывает отклонение внутримельничного заполнения от оптимального значения. Использование системы стабилизации заполнения мельницы, которая, фиксируя отклонение заполнения, корректирует производительность конвейера, подающего руду в мельницу, позволяет поддерживать ее заполнение на заданном уровне. Поэтому изменение свойств рудного материала определяется косвенно по изменению производительности мельницы. Поскольку объект управления представлен экстремальными характеристиками (9)–(11), то было решено применить экстремальный регулятор.

Таким образом, алгоритм управления процессом электромагнитной обработки, включает в себя два подалгоритма: стабилизации режима электромагнитной обработки и адаптации к изменяющимся физико-механическим свойствам руды. Последний использует принцип работы системы экстремального регулирования, где в качестве входной величины выступает количество импульсов N, а выходной – производительность мельницы по исходной руде Q. Указанная система позволяет осуществлять автоматический поиск оптимального значения управляющего воздействия — N, которое будет обеспечивать экстремум показателя эффективности — Q.

Алгоритм стабилизации режима электромагнитной обработки содержит несколько шагов:

1. Измерение скорости пульпы.
2. Вычисление частоты следования импульсов fсл.
3. Формирование импульсов низкочастотного электромагнитного поля с заданной частотой следования fсл.
4. Формирование импульсов высокочастотного электромагнитного поля с заданной частотой следования fсл с временной задержкой tз, определяемой из функционального соотношения (7), относительно импульсов низкочастотного электромагнитного поля.

Алгоритм адаптации к изменяющимся физико-механическим свойствам руды включает следующие шаги:

1. Увеличение пробными шагами N количества импульсов с периодом t.
2. Измерение через равные дискретные промежутки времени t производительности мельницы Qi.
3. Сравнение величины Qi накануне очередного i-го шага с предыдущей Qi-1, измеренной на i-1-м шаге.
4. Если приращение Q=Qi-Qi-1 положительно, то очередной шаг задания N делается в направлении пре­дыдущего, если приращение Qi-Qi-1 отрицательно — против предыдущего.

Разработанный алгоритм работы системы автоматического управления процессом электромагнитной обработки позволяет осуществлять стабилизацию режима электромагнитной обработки и адаптацию к изменяющимся физико-механическим свойствам руды.

Третья глава посвящена разработке обобщенной математической модели функционирования измельчительного комплекса. Выполнено моделирование процесса функционирования измельчительного комплекса в пакете прикладных программ Matlab.

В целях исследования влияния электромагнитной обработки на работу измельчительного комплекса была спроектирована структурная схема модели его функционирования (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема модели функционирования измельчительного комплекса

Объект управления в данной модели представлен в виде соединения следующих блоков:

• модели пластинчатого питателя по двум каналам: напряжение на щетках двигателя U — частота вращения якоря — Wпит1; частота вращения якоря — расход руды на конвейер Q — Wпит2:

2425

2627

• модели ленточного конвейера в виде звена запаздывания между входным Qвх.к и выходным Qвых.к потоками руды — Wконв:

2829

• модели мельницы мокрого самоизмельчения ММС по четырем каналам: расход руды на входе мельницы Q — ее заполнение —Wм1, заполнение — мощность P — Wм2, заполнение — расход руды на выходе мельницы Qвых — Wм3, заполнение — выход готового класса g-0071:

3031

3233

3435

3637

Поскольку характеристика, отражающая зависимость мощности мельницы от ее заполнения, начинается не с нуля, то для простоты выход модели мельницы мокрого самоизмельчения рассматривается как (P-706,25).

• модели бутары по каналам: расход руды на выходе мельницы Qвых — расход руды на сливе мельницы Qcл.м —Wбут:

3839

• модели классификатора в виде звена запаздывания между входным Qвх.кл и выходным Qвых.кл. потоками песков Wкл:

4041

производительность мельницы по готовому классу Qсл.кл будет являться функцией g-0,071:

4243

а расход песков классификатора Qп определяется как:

4445

который суммируется с потоком исходной руды, подаваемой в мельницу с конвейера Q.

Скорость потока песков vп вычисляется по следующей формуле:

4647

kзи — коэффициент заполнения индуктора;

Dи — диаметр проходного сечения индуктора, м;

ср — средняя плотность кварцитов, т/м3.

Модель возвратного конвейера не используется, поскольку в целях упрощения моделирования принята технологическая схема, когда рудная галя направляется на вторую стадию измельчения и не возвращается обратно в мельницу ММС.

• модели импульсной электромагнитной обработки руды (ИЭМО), для построения которой используется выражение (8), определяющее количество импульсных воздействий на поток пульпы N. Для имитации влияния различных режимов электромагнитного воздействия на изменение физико-механических свойств руды применяются регрессионные зависимости (9) — (11). Имитация электромагнитного воздействия осуществляется изменением в определенный момент времени коэффициента передачи между расходом руды в мельницу и ее заполнением k=0,262 (см. ф. 15) в заданное число, которое характеризуется коэффициентом относительной измельчаемости kизм, при помощи блока Switch (см. рис.2).

При составлении модели системы автоматического управления измельчительным комплексом было принято допущение, что локальные системы стабилизации транспортирования материала внутри мельницы и содержания готового класса в сливе классификатора функционируют идеально, поэтому модель системы представлена следующими блоками:

• моделью системы стабилизации внутримельничного заполнения:

4849

включающую регулятор производительности конвейера Wрег1, обеспечивающий автоматическую стабилизацию мощности Р, потребляемой приводным двигателем мельницы (Р1 на рис. 2), который при ее отклонении выдает управляющий сигнал напряжения U- U на привод питателя (см. рис. 2);

• моделью системы автоматического управления процессом импульсной электромагнитной обработки руды с регулятором частоты следования fсл —Wрег2 (Р2 на рис. 2), работающим на основе алгоритма стабилизации режима электромагнитной обработки:

5051

и экстремальным регулятором Р3, использующим следующий алгоритм адаптации к изменяющимся физико-механическим свойствам руды (см. рис. 2):

5253

Модель функционирования измельчительного комплекса позволяет исследовать влияние электромагнитной обработки на показатели его работы как с регулятором частоты следования импульсов электромагнитной обработки руды Р2 так и без него, когда fсл задается постоянной в блоке Step1. При помощи блока Manual Switch 1 можно переключать схему на любой из этих вариантов. Модель также позволяет исследовать влияние электромагнитной обработки на показатели работы комплекса с применением экстремального регулятора Р3 и без него, когда значение параметра регулятора Р2 задается постоянным в блоке Step2. Переключение схемы на любой из этих вариантов осуществляется блоком Manual Switch 2.

Переходные процессы изменения производительности мельницы, количества импульсов, скорости пульпы, полученные в результате работы схемы модели без применения регулятора частоты следования импульсов и экстремального регулятора, показаны на рис. 3, 4, 5 — а соответственно. Для вычисления kизм в модели применялась формула (9) для руд с оптимальным режимом N =3. После приложения электромагнитного воздействия в момент tиэмо производительность мельницы Q резко падает с Q1 до Q2 (рис. 3, а), так как N становится равным N1 и перестает быть оптимальным (рис. 4, а) за счет снижения скорости пульпы vп с v1 до v2 (рис. 5, а). При этом относительная убыль производительности мельницы составляет 3,63 %.

В случае применения регулятора частоты без использования экстремального регулятора наблюдается резкий скачок производительности с Q1 до Q2 (рис. 3, б), количество импульсов остается на оптимальном уровне N =3 (рис. 4, б), несмотря на увеличение скорости пульпы vп с v1 до v2 (рис. 5, б). При этом относительный прирост производительности составляет 14,75 %.

а

б

Рис. 3. Переходной процесс изменения производительности мельницы по исходной руде (а — без регулятора частоты следования импульсов, б — с регулятором)

а

ьб

Рис. 4. Переходной процесс изменения количества импульсов (а — без регулятора частоты следования импульсов, б — с регулятором)

а

тб

Рис. 5. Переходной процесс изменения скорости пульпы (а — без регулятора частоты следования импульсов, б — с регулятором)

Результаты моделирования работы измельчительного комплекса с применением экстремального регулятора количества импульсов Р3 и регулятора частоты Р2 представлены на рис. 6.

В момент начала процесса электромагнитной обработки tиэмо производительность мельницы по исходной руде возрастает (рис. 6, а). При этом подается первое пробное воздействие N=1 (рис. 6, г). Через определенный промежуток времени t измеряется приращение между текущим и предыдущим значениями производительности мельницы Q, пока оно является положительным (рис. 6, б), сигнал на выходе сигнум-реле Uс-р принимает значение 1 на отрезке времени [ tиэмо, t1] (рис. 6, в) и сигнал, пропорциональный количеству импульсов N, дискретно увеличивается на единицу (рис. 6, г). Как только Q станет отрицательным при t1 — знак Uс-р меняется на противоположный (рис. 6, в), значение N уменьшается (рис. 6, г). Когда происходит изменение физико-механических свойств руды во время tр1, значение производительности падает с Q1 до Q2 (рис. 6, а), поэтому через t приращение Q вновь становится отрицательным (рис. 6, б), сигнум-реле реверсируется (рис. 6, в), обеспечивая увеличение количества импульсов для данного сорта руды (рис. 6, г). Аналогичным образом это происходит и в другом случае, в момент tр2, когда руда снова изменяет свои свойства, и Q падает до Q3 (рис. 6).

Из рис. 6, г следует, что экстремальный регулятор делает систему адаптивной, обеспечивая улучшение работы измельчительного комплекса, подбирая оптимальный режим обработки для разных сортов руд Nопт1, Nопт2, Nопт3. При этом данная система обеспечивает следующие показатели: время выхода на экстремум производительности мельницы по исходной руде может составлять tэ1=tэ3=1,8 часа и tэ2=2,4 часа. Амплитуда Qa установившихся автоколебаний не превышает 1%.

Моделирование работы системы автоматического управления измельчительным комплексом позволило выявить, что применение регулятора частоты следования импульсов импульсной электромагнитной обработки руды позволяет повысить производительность мельницы на 14,75 %, применение экстремального регулятора количества импульсов – осуществить адаптацию системы в условиях нестабильности физико-механических свойств руды.

Рис. 6. Результаты моделирования работы измельчительного комплекса

с применением экстремального регулятора количества импульсов и регулятора

частоты следования импульсов

Четвертая глава посвящена разработке структуры системы автоматического управления измельчительным комплексом с применением импульсной электромагнитной обработки руды. Приводится описание принципа ее работы.

Обобщенная структурная схема системы автоматического управления измельчительным комплексом с применением импульсной электромагнитной обработки руды изображена на рис. 7. Она содержит четыре локальные системы автоматического управления:

• систему стабилизации внутримельничного заполнения, содержащую ИУ1 — датчик активной мощности мельницы 5; ЗД1 — ее задатчик; Р1 — регулятор производительности питателя 2, на который подается руда из бункера 1; ИМ1 — исполнительный механизм.
• систему стабилизации транспортирования материала в мельнице 5, включающую ИУ2 — измеритель расхода руды на конвейере 3; ИУ3 — измеритель расхода песков классификатора 6; С — сумматор этих сигналов; ЗД2 — задатчик соотношения «твердое — жидкое»; Р2 — регулятор расхода воды в мельницу 5; ИМ2 — исполнительный механизм; РО1 — регулирующий орган расхода воды;
• систему стабилизации плотности слива классификатора 6, имеющей в своем составе ИУ4 — измеритель содержания готового класса в сливе классификатора или его плотности; Р3 — регулятор плотности слива классификатора; ЗД3 — ее задатчик; ИМ3 — исполнительный механизм; РО2 — регулирующий орган расхода воды;
• систему автоматического управления процессом импульсной электромагнитной обработки руды с ИУ2 — измерителем расхода руды на конвейере 3, ИУ5 — датчиком скорости пульпы, Р4 — регулятором частоты следования импульсов электромагнитной обработки, Р5 — экстремальным регулятором количества импульсов.

В процессе электромагнитной обработки руды происходит изменение измельчаемости рудного материала, что, в свою очередь, приводит к отклонению уровня заполнения мельницы. Измеритель ее активной мощности ИУ1 фиксирует этот факт, после чего сигнал рассогласования между ИУ1 и ЗД1 поступает в регулятор Р1, который через исполнительный механизм изменяет подачу руды на конвейеры 3, 4.

Изменение расходов исходного материала и песков, измеряемое ИУ2, ИУ3 соответственно, отражается на выходном сигнале сумматора С, а следовательно, и регулятора Р2. С помощью исполнительного механизма ИМ2 через регулирующий орган РО1 обеспечивается пропорциональное изменение расхода воды в мельницу.

Отклонение содержания готового класса в сливе классификатора от заданного, изменяет плотность его слива. Ее стабилизация обеспечивается с помощью регулятора Р3 изменением подачи воды в результате воздействия на исполнительный механизм ИМ3 через регулирующий орган РО2.

Измерительным устройством ИУ5 фиксируется текущая скорость пульпы. В зависимости от данного значения регулятор частоты Р4 определяет необходимую частоту следования импульсов электромагнитной обработки. Экстремальный регулятор Р5 обеспечивает коррекцию коэффициента в Р4 в зависимости от производительности питания мельницы, измеряемой ИУ2.

Рис. 7. Структура системы автоматического управления измельчительным комплексом с применением импульсной электромагнитной обработки руды

Структура системы автоматического управления процессом электромагнитной обработки руды изображена на рис. 8.

Установка для электромагнитной обработки I содержит источник питания ИП, подключенный через электронные ключи ЭК1, ЭК2 к емкостным накопителям ЕН1 и ЕН2, которые, в свою очередь, соединены через электронные ключи ЭК3, ЭК4 с низкочастотным и высокочастотным индукторами НЧИ, ВЧИ соответственно.

Система автоматического управления процессом электромагнитной обработки руды выполнена в виде блоков управления воздействием полей НЧИ и ВЧИ на руду. В их состав входит регулятор частоты следования импульсов электромагнитной обработки II, включающий усилитель У, на входе которого подключен датчик скорости пульпы ДС. Выход усилителя У через преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) подключен к распределителю импульсов РИ, выходная цепь которого соединена с управляющими входами электронных ключей ЭК1, ЭК3 и через элементы задержки ЭЗ1, ЭЗ2 — с управляющими входами электронных ключей ЭК2 и ЭК4 (см. рис. 8). Экстремальный регулятор III содержит импульсный элемент ИЭ1, ко входу которого подключены конвейерные весы КВ. Один выход ИЭ1 соединен со схемой сравнения СС напрямую, другой — через запоминающее устройство ЗУ. Далее за СС следует сигнум-реле СР, подключенное к интегратору И. Вход И соединен с импульсным элементом ИЭ2.

Рис. 8. Структура САУ процессом электромагнитной обработки руды

(I — установка для электромагнитной обработки, II — регулятор частоты следования импульсов электромагнитной обработки III — экстремальный регулятор количества импульсов)

Принцип работы системы автоматического управления процессом электромагнитной обработки руды следующий.

От источника питания ИП через электронный ключ ЭК1 происходит заряд емкостного накопителя ЕН1, а через элемент задержки ЭЗ1, в котором задается время, определяемое из выражения (7), и электронный ключ ЭК2 — заряд емкостного накопителя ЕН2. При достижении максимального зарядного напряжения емкостной накопитель ЕН1 разряжается через электронный ключ ЭК3 на низкочастотный индуктор НЧИ. В это время при прохождении пульпы через индуктор на обрабатываемый материал воздействует электромагнитное поле НЧИ. Емкостной накопитель ЕН2 разряжается на высокочастотный индуктор ВЧИ через электронный ключ ЭК4, управляемый элементом задержки ЭЗ2, где время также определяется из выражения (7). При этом на руду одновременно воздействуют электромагнитные поля, создаваемые НЧИ и ВЧИ. В процессе перемещения пульпы по трубопроводу осуществляют измерение ее скорости посредством датчика скорости пульпы ДС.

Для обеспечения стабилизации режима воздействия электромагнитными полями на руду в зависимости от фактической скорости пульпы сигнал с ДС подают на усилитель У, с выхода которого он поступает на преобразователь напряжения в частоту следования импульсов ПНЧ. После этого импульсы поступают на вход распределителя импульсов РИ и делятся по четырем независимым выходным цепям, подключенным соответственно к управляющим входам электронных ключей ЭК1, ЭК3, обеспечивающих заряд накопителя ЕН1, включение НЧИ. Управление зарядом ЕН2 и его разрядом на ВЧИ осуществляют через элементы задержки ЭЗ1, ЭЗ2 соответственно. При изменении текущего значения скорости пульпы изменяется время ожидания запуска индукторов НЧИ, ВЧИ и время очередного заряда накопителей ЕН1, ЕН2 за счет изменения частоты следования импульсов ПНЧ, а следовательно, и распределителя РИ. По окончании работы индуктора ВЧИ процесс заряда емкостных накопителей ЕН1, ЕН2 повторяется.

В экстремальном регуляторе III через определенные промежутки времени t происходит дискретное измерение производительности мельницы по исходной руде Q при помощи конвейерных весов КВ. Импульсный элемент ИЭ1 преобра­зует величину Q объекта в последовательность импульсов Qi, высота которых пропор­циональна значениям Q в моменты съема it. Преобразованные Qi приходят на запоминающее устройство ЗУ, подающее на схему сравнения СС предыдущее значение Qi-1. На СС одновременно поступает и Qi.

На его выходе появляется сигнал разности Qi-Qi-1. В следующий момент съема сигнала t=(i+1)t запом­ненное значение Qi-1 сбрасывается с ЗУ и запоминается сигнал Qi+1, а сигнал Qi поступает с ЗУ на СС и на вхо­де сигнум-реле СР появляется сигнал Qi+1=Qi+1-Qi. Если Q больше нуля, то такое движение допускается сигнум-реле. Если Q меньше ну­ля, то СР срабатывает и уменьшает напряжение на выходе интегратора И, которое, в свою очередь, меняет коэффициент усиления У, пропорциональный количеству импульсов N. Импульсный эле­мент ИЭ2 работает синхронно с ИЭ1, периодически отключая цепь интегратора И от СР, чтобы время изменения напряжения интегратора на один шаг было достаточно мало. СР изменяет направление последующего шага Ni+1, если величина Qi становится меньше нуля.

Таким образом, разработана структура системы автоматического управления измельчительным комплексом, которая отличается от известных наличием дополнительной локальной системы автоматического управления процессом импульсной электромагнитной обработки руды и может адаптивно изменять параметр регулятора в зависимости от физико-механических свойств руды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании проведенных автором исследований дано решение актуальных задач снижения энергоемкости помола и повышения производительности работы измельчительного комплекса, которые имеют особое значение в горной промышленности. Решение поставленных задач осуществлялось созданием системы автоматического управления измельчительным комплексом, содержащим средство для импульсной электромагнитной обработки руды.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Выбран критерий максимального разупрочнения для системы управления импульсной электромагнитной обработкой, на основе которого получено соотношение для определения оптимального значения параметра импульсного воздействия при разупрочнении рудных материалов.
2. Предложен алгоритм управления процессом электромагнитной обработки, применение которого позволяет стабилизировать режим электромагнитной обработки и адаптироваться к изменяющимся физико-механическим свойствам руды путем автоматического поиска оптимального режима обработки.
3. Разработана обобщенная математическая модель функционирования измельчительного комплекса как объекта управления, которая отличается от известных более полным описанием компонентов комплекса и позволяет исследовать влияние импульсной электромагнитной обработки руды на показатели работы комплекса.
4. Разработана структура системы автоматического управления измельчительным комплексом, которая отличается от известных наличием дополнительной локальной системы автоматического управления процессом импульсной электромагнитной обработки руды.
5. Разработана структура системы автоматического управления процессом импульсной электромагнитной обработки руды, которая позволяет поддерживать режим импульсного воздействия на рудный материал при нестабильности характеристик пульпы.
6. Разработанная система автоматического управления измельчительным комплексом с применением импульсной электромагнитной обработки руды способна адаптивно изменять параметр регулятора в зависимости от физико-механических свойств рудного материала, что позволяет повысить производительность измельчительного комплекса.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ:

в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Осипова Н.В. Система управления процессом подготовки руды к измельчению//Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2010. — № 2. — С.196-199.
2. Осипова Н.В. Система управления диспергированием руды в потоке// Отдельный выпуск «Горного информационно-аналитического бюллетеня»: труды студентов и молодых ученых-1. — 2010. — № 2. — С.131-132.
3. Ананьев П.П., Осипова Н.В. Исследование модели функционирования измельчительного комплекса с применением импульсной электромагнитной обработки руды // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2012. — № 11. — С.236-239.
4. Осипова Н.В. Система автоматического управления измельчительным комплексом с применением импульсной электромагнитной обработки руды// Горный информационно-аналитический бюллетень. Препринт. — 2012. — № 12. — 12 с.

патент на изобретение:

5. Ананьев П.П., Грошев В.А., Осипова Н.В. Устройство для диспергирования руды в потоке. — Патент РФ на изобретение № 2388543, 2010 г.

в других изданиях:

6. Осипова Н.В., Певзнер Л.Д. Особенности регулирования измельчительного комплекса при направленном управлении прочностными свойствами рудного материала // Научный вестник МГГУ. — 2012. — № 10 (31). — C. 69-74 (http://vestnik.msmu.ru/files/2/20121112183635.pdf).
7. Осипова Н.В. Особенности системы управления установки магнитно-импульсной обработки рудных материалов. Проблемы освоения недр глазами молодых//Сборник материалов 5 Международной научной школы молодых ученых и специалистов. 11-14 ноября 2008 г. — М: УРАН ИПКОН РАН, — 2008. — С.110-111.

Подписано в печать 28.01.2013 г. Формат 60х90/16

Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №_____

Отдел печати МГГУ, Москва, Ленинский пр., 6