RU166873U1 - Система адаптивного управления процессом окомкования шихты при производстве железорудного агломерата - Google Patents

Abstract

1. Система адаптивного управления процессом окомкования шихты при производстве железорудного агломерата, содержащая исполнительный механизм изменения расхода воды, датчик расхода воды, датчик расхода шихты, оптико-электронный датчик контроля гранулометрического состава исходной шихты, первый модуль анализа текстуры поверхности исходной шихты, второй модуль анализа текстуры поверхности окомкованной шихты, блок прогнозирования гранулометрического состава окомкованной шихты, блок адаптации математической модели прогнозирования гранулометрического состава окомкованной шихты, задатчик гранулометрического состава окомкованной шихты, блок расчета вектора невязки, регулятор расхода воды, при этом оптико-электронный датчик контроля гранулометрического состава исходной шихты выполнен с возможностью передачи сигналов на вход первого модуля анализа текстуры поверхности исходной шихты, выполненного с возможностью преобразования сигналов в видеокадры исходной шихты и их обработки с помощью математических моделей, обеспечивающих получение данных о гранулометрическом составе исходной шихты, оптико-электронный датчик контроля гранулометрического состава окомкованной шихты выполнен с возможностью передачи сигнала на вход второго модуля анализа текстуры поверхности окомкованной шихты, выполненного с возможностью преобразования сигналов в видеокадры окомкованой шихты и их обработки с помощью математических моделей, обеспечивающих получение данных о гранулометрическом составе окомкованной шихты, при этом датчик расхода воды, датчик расхода шихты и первый модуль связаны соответственно с первым,

Description

Полезная модель относится к системам управления процессами черной металлургии, а именно к управлению процессом окомкования шихтовых материалов.

Окомкованная шихта относится к промежуточному продукту в сложном технологическом процессе производства железорудного агломерата, следовательно, от свойств окомкованной шихты зависит качество получаемого агломерата.

Из описания к авторскому свидетельству SU №1703708 известна система управления процессом окомкования шихтовых материалов, (выбрана в качестве ближайшего аналога).

Система управления процессом окомкования шихтовых материалов содержит окомкователь шихты, исполнительный механизм изменения расхода воды, предназначенной для поступления в окомкователь, регулятор расхода воды, исполнительный механизм изменения расхода воды, задатчик влажности шихты (в качестве основного параметра), по которому обеспечивается управление процессом, датчики параметров процесса (расход концентрата, влажность, расход годных окатышей). Указанные датчики и задатчик связаны с входами блока ввода исходных данных, выполненного с возможностью расчета основного параметра и выдачи сигнала об отклонении основного параметра от оптимального, обеспечивающего качество готового продукта.

При использовании известной системы проявляются некоторые недостатки. В частности, использование датчиков вышеуказанных параметров процесса и задатчика влажности в качестве основного параметра приемлемо для управления процессом окомкования моношихты - материала, обладающего однородными свойствами.

В то же время, применяя данную систему для моношихты с фиксированным показателем влажности, изменение технологических параметров такой шихты может привести к снижению достоверности расчетов влажности шихты.

Известно также, что основные требования к окомкованной шихте предъявляются не только по влажности, но и гранулометрическому составу (грансоставу) - показателю, в значительной степени влияющему на газопроницаемость шихты в процессе зажигания и спекания. Однако в данной системе этот важный показатель является косвенным.

Таким образом, известная система обеспечивает повышение качества готового продукта при неизменяемых исходных условиях влажности вне зависимости от гранулометрического состава.

Задача, решаемая полезной моделью, заключается в расширении арсенала средств подобного назначения, обеспечивающих качество многокомпонентной шихты благодаря оптимальному расходу воды в зависимости от прогнозных значений грансостава окомкованной шихты.

Задача решается тем, что система адаптивного управления процессом окомкования шихты при производстве железорудного агломерата, включающая исполнительный механизм изменения расхода воды, датчик расхода воды, датчик расхода шихты, оптико-электронный датчик контроля гранулометрического состава исходной шихты, обеспечивающий передачу сигналов на вход первого модуля анализа текстуры поверхности исходной шихты, выполненного с возможностью преобразования сигналов в видеокадры исходной шихты и их обработки с помощью математических моделей, обеспечивающих получение данных о гранулометрическим составе исходной шихты, оптико-электронный датчик контроля гранулометрического состава окомкованной шихты, обеспечивающий передачу сигнала на вход второго модуля анализа текстуры поверхности окомкованной шихты, выполненного с возможностью преобразования сигналов в видеокадры окомкованой шихты и их обработки с помощью математических моделей, обеспечивающих получение данных о гранулометрическим составе окомкованной шихты, при этом датчик расхода воды, датчик расхода шихты и первый модуль связаны соответственно с первым, вторым и третьим входами блока прогнозирования гранулометиического состава окомкованной шихты, в котором реализована математическая модель технологического процесса окомкования шихты, в свою очередь, датчик расхода воды, датчик расхода шихты и второй модуль связаны с первым, вторым и третьими входами блока адаптации математической модели прогнозирования гранулометрического состава окомкованной шихты, причем четвертые входы указанных блоков связаны соответственно с их первыми выходами для обеспечения прямой и обратной связи, кроме того в систему управления введены задатчик гранулометрического состава окомкванной шихты и блок расчета вектора невязки, обеспечивающий расчет задания для регулятора по расходу воды, при этом первый вход блока расчета вектора невязки связан со вторым выходом блока прогнозирования гранулометрического состава шихты, второй вход -с задатчиком гранулометрического состава окомкованной шихты, а выход данного блока связан с исполнительным механизмом изменения расхода воды через блок регулятора расхода воды.

В заявляемой полезной модели каждый оптико-электронный датчик выполнен в виде видеокамеры, которая используется вместе с соответствующим источником света, предназначенным для обеспечения освещенности шихты, попадающей в обзор видеокамеры.

Полнота исходной информации, достаточной для прогнозирования грансостава шихты, определяется сигналами с датчика расхода воды, датчика расхода шихты и сигналами о текстуре (строении) исходной и окомкованной шихты, получаемых с использованием оптико-электронных датчиков. При этом информация, содержащая данные о грансоставе исходной шихты, обрабатывается в блоке прогнозирования гранулометиического состава окомкованной шихты, в котором реализована математическая модель технологического процесса окомкования шихты; информация, содержащая данные о грансоставе окомкованной шихты, обрабатывается в соответствующем блоке адаптации математической модели прогнозирования гранулометрического состава окомкованной шихты. Благодаря прямой и обратной связи указанных блоков происходит адаптация математической модели прогнозирования во временных интервалах, синхронизированных с наличием возмущающих воздействий.

В блоке расчета вектора невязки происходит сравнение прогнозного грансостава шихты с требуемым грансоставом, а также расчет задания для регулятора по расходу воды. Расчет невязки происходит на основе меры близости векторов гранулометрического состава «прогноза» и «задания». В качестве меры близости может быть выбрано, например, Евклидово расстояние. Данная величина рассогласования поступает в блок регулятора по расходу воды, который может быть реализован, например, на основе одного из классических законов управления.

Введение в систему оптико-электронных датчиков контроля гранулометрического состава исходной и окомкованной шихты, представляющих собой видеокамеры, формирующие сигнал о текстуре шихты, находящейся в технологическом потоке до и после окомкования, предопределено необходимостью обеспечения качества окомкованной шихты по показателю «гранулометрический состав».

Наличие источников света (осветителей) обеспечивает уменьшение погрешностей в работе видеокамер. Исходя из назначения оптико-электронных датчиков - передавать сигналы о текстуре поверхности исходной и окомкованной шихты - источники света устанавливаются так, чтобы освещенность шихты перед окомкователем и после окомкователя, попадающая в обзор указанных датчиков, соответствовала требуемым значениям.

С помощью примера выполнения раскрываются преимущества предлагаемой полезной модели со ссылками на позиции функциональной схемы (фиг.), заложенной в систему адаптивного управления процессом окомкования шихтовых материалов:

1 - датчик расхода воды;

2 - датчик расхода шихты;

3 - оптико-электронный датчик контроля гранулометрического состава исходной шихты;

4 - оптико-электронный датчик контроля гранулометрического состава окомкованной шихты;

5 - модуль анализа текстуры поверхности исходной шихты;

6 - модуль анализа текстуры поверхности окомкованной шихты;

7 - блок прогнозирования гранулометрического состава окомкованной шихты;

8 - блок адаптации математической модели прогнозирования гранулометрического состава окомкованной шихты;

9 - задатчик грансостава шихты;

10 - блок расчета вектора невязки;

11 - регулятор расхода воды;

12 - исполнительный механизм подачи воды, предназначенный для связи с окомкователем шихты 13;

14, 15 - осветители.

Для промышленного применения полезной модели в качестве датчика 1 расхода шихты используются, например, весы конвейерные автоматические ВК-1 или ВК-2М, предназначенные для непрерывного взвешивания сыпучих материалов, транспортируемых горизонтальными и наклонными конвейерами, с целью контроля, нормирования и технологического учета массы материалов.

В качестве датчика 2 расхода воды используется электромагнитный расходомер Siemens SITRANS FM MAGFLO.

Каждый оптико-электронный датчик 3, 4 представляет собой инфракрасную видеокамеру SVC-S16V (фирма Satvision) в погодозащищенном корпусе, имеющая матрицу 1/3″ CCD SONY. Осветители 14, 15 применены в виде светодиодного светильника промышленного Varton STRONG IP65 674×90×68 мм, имеющего высокую степень защиты.

Осветительные приборы/видеокамеры устанавливаются на кронштейне, который размещен над конвейером с шихтой.

Элементы полезной модели 5, 6, 7, 8, 9, 10, в которых заложены математические модели адаптивной системы реализованы в виде единого программного продукта на промышленном компьютере.

Видеокамеры блоков 3, 4 связаны с промышленным компьютером посредством USB или протокола TCP/IP.

Блок 9, выполняющий функцию задатчика грансостава шихты, интегрирован в промышленный компьютер в виде пользовательского интерфейса программного продукта, в котором оператор задает требуемое распределение грансостава окомкованной шихты (в виде таблицы).

Блок 12 выполняет функцию регулирования расхода воды в окомкователь в качестве электромагнитного клапана на трубопроводе воды (например, клапан серии RV 111 COMAR и одного из электроприводов Siemens (Landis & Staefa).

Выдача управляющих воздействий на исполнительный механизм 12 осуществляется с использованием программируемого логического контроллера (ПЛК), например, SIMATIC S7-1200-Siemens. Таким образом, в ПЛК заложена функция блока 11.

Функциональная связь между датчиками 1, 2 и блоками 7 и 8 может быть реализована за счет конструктивной связи промышленного компьютера и ПЛК. Датчики 1, 2 «физически» связаны с модулем ввода-вывода информации ПЛК для передачи соответствующих сигналов в блоки промышленного компьютера. По результатам проведенных вычислений промышленный компьютер осуществляет управление процессом подачи воды в окомкователь 13.

Модули 5, 6 могут быть выполнены аналогично устройству по патенту RU №2282176 или по патенту RU №2154814.

Реализация блоков 7 и 8 осуществляется путем установления связи между входами (расход воды, расход шихты, информация о текстуре поверхности шихты) и выходом (каждого блока 7, 8) одним из современных методов прогнозирования (искусственные нейронные сети, метод опорных векторов, каскад классификаторов и другие).

В зависимости от выбранной модели прогнозирования происходит функционирование блока адаптации математической модели прогнозирования гранулометрического состава окомкованной шихты.

Выбор конкретного метода прогнозирования (адаптации) осуществляется по результатам проведения натурного эксперимента на конкретном производственном объекте, на котором предполагается внедрять заявляемую систему управления.

В монографии «Технология проектирования информационного и программного обеспечения оптико-электронных систем управления, контроля и прогнозирования качества агломерата» (авторы: Ершов Е.В., Селяничев О.Л. и другие. - Череповец: ГОУ ВПО Череповецкий государственный университет, 2010. - 416 с.» рассматриваются методы прогнозирования и адаптации на основе сетей Кохонена (см. страницы 288-296).

В ходе функционирования системы в блоке 7 происходит функциональное преобразование (вычисление прогнозного значения гранулометрического состава шихты) вида:

Gi=f(Q,W,β)

где Q - расход шихты в окомкователь, т/ч; W - расход воды на окомкование, м3/ч; β - информация о текстуре поверхности шихты (может быть как векторной, так и скалярной величиной, например β скаляр если в качестве текстуры поверхности шихты выбрана энтропия Шеннона [A. Ardeshir Goshtasby 2-D and 3-D Image Registration for Medical, Remote Sensing, and Industrial Applications, 2005 стр. 168-169]); Gi - вычисляемое (прогнозное) значение i-ого класса в окомкованной шихте (классы и их количество зависят от конкретной ситуации, например, может быть 3 класса: 0-5, 5-10, 10-25); f(.) - функция, связывающая входы Q,W и β с количеством компонентов шихты заданного класса Gi.

Вид функции f(.) в зависимости от используемого метода прогнозирования может значительно отличаться. В самом простом случае функция может быть реализована как линейная функция, тогда:

Gi=a1i*Q+a2i*W+a3i*β

где a1i, a2i, a3i - неизвестные коэффициенты подлежащие определению.

Для описанного блока прогнозирования 7 блок адаптации 8 реализуется путем обновления коэффициентов a1i, a2i, a3i функции f(.).

Таким образом, в блоке адаптации 8 реализуется функциональное преобразование вида: a*ki=λ(aki, Gi, Gi*)

где aki - к-ый коэффициент в функции f(.) до адаптации, a*ki - новое значение коэффциента функции f(.) после проведения адаптации; Gi и Gi* - прогрозное и фактическое значение гранулометрического состава окомкованной шихты, а λ(.) - некоторая функция, зависящая от выбранного алгоритма прогнозирования и адаптации.

Фактическое значение гранулометрического состава окомкованной шихты в зависимости Gi* вычисляется в блоке адаптации 8 по формуле:

Gi*=z(Q,W,β*)

где β* - информация о текстуре поверхности шихты после окомкования. Вид используемой функции z(.) определяют по результатам проведения натурных экспериментов на конкретном производственном объекте (в самом простом случае z(.) имеет вид линейной функции Gi*=z1i*Q+z2i*W+z3i*β*, где zki - коэффициенты, определяемые по результатам эксперимента).

Представленные методы позволяют в автоматически режимы находить зависимость между входами и выходами системы по экспериментальным данным, полученным по данным промышленной эксплуатации.

При этом в результате проведенных в модулях 5, 6 вычислений получают информация о текстуре поверхности шихты β (до окомкования) или β* (после окомкования). Величина β(β*) может быть как векторной, так и скалярной величиной в зависимости от выбранного способа реализации модулей.

Согласно информации на веб-странице:

- http://www.ibcsol.ru/upload/iblock/ff0/S7-1200-Руководство pyc.pdf ПЛК SIMATIC S7-1200-Siemens может быть использован в качестве средства, реализующего блок прогнозирования 7 и блок адаптации с тем количеством входов-выходов, которые соответствуют сущности заявляемого устройства.

Работа полезной модели осуществляется следующим образом.

Промышленный компьютер, реализующий функции блоков 7 и 8, получает информацию с указанных датчиков 1 и 2 путем считывания информации с ПЛК.

Информация с датчиков 1, 2 расхода воды и расхода шихты поступает на входы блока 7 прогнозирования грансостава окомкованной шихты. В то же время, информация с оптико-электронного датчика 3 поступает на вход модуля 5 анализа текстуры (строения) поверхности шихты связанный с соответствующим входом блока 7.

Синхронно с информацией, передаваемой в блок 7, информация с датчиков 1, 2, 4 (через блок 6) поступает в блок 8, где реализована математическая модель адаптации к технологическому процессу путем минимизации отклонения прогнозного значения гранулометрического состава и фактического гранулометрического состава получаемого из блока 6.

Информация из блока 8 поступает в блок 7, где происходит обновление математической модели технологического процесса путем замены существующих коэффициентов математической модели (блок 7) на новые коэффициенты, поступающие из блока 8.

На входы блока 10 расчета вектора невязки поступает информация из блоков 7 и 9, представляющая собой векторы, содержащие информацию о прогнозном и заданном грансоставе шихты. На основе этих векторов в блоке 10 происходит расчет невязки с использованием одной из мер близости.

Непосредственное управление приводом 12 электромагнитного клапана (исполнительный механизм) в зависимости от задания, поступающего из блока 10 (промышленный компьютер) расчета вектора невязок, осуществляется в блоке 11 (ПЛК).

Предлагаемая система управления работает в автоматическом режиме до тех пор, пока требования к качеству агломерационной шихты не изменяются. В ином случае (при изменении химического состава компонентов, изменении требований к качеству агломерата, модернизация оборудования и т.п.) оператор вмешивается в процесс управления, корректируя заданное распределение грансостава окомкованной шихты. По завершении действий оператора работа системы управления продолжается в автоматическом режиме, обеспечивая оптимальный расход воды в зависимости от прогнозных значений грансостава.

Таким образом, расширение линейки систем управления процессом окомкования шихты обеспечивается за счет реализации заявляемого устройства, элементы которого находятся в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи.

Claims (2)

1. Система адаптивного управления процессом окомкования шихты при производстве железорудного агломерата, содержащая исполнительный механизм изменения расхода воды, датчик расхода воды, датчик расхода шихты, оптико-электронный датчик контроля гранулометрического состава исходной шихты, первый модуль анализа текстуры поверхности исходной шихты, второй модуль анализа текстуры поверхности окомкованной шихты, блок прогнозирования гранулометрического состава окомкованной шихты, блок адаптации математической модели прогнозирования гранулометрического состава окомкованной шихты, задатчик гранулометрического состава окомкованной шихты, блок расчета вектора невязки, регулятор расхода воды, при этом оптико-электронный датчик контроля гранулометрического состава исходной шихты выполнен с возможностью передачи сигналов на вход первого модуля анализа текстуры поверхности исходной шихты, выполненного с возможностью преобразования сигналов в видеокадры исходной шихты и их обработки с помощью математических моделей, обеспечивающих получение данных о гранулометрическом составе исходной шихты, оптико-электронный датчик контроля гранулометрического состава окомкованной шихты выполнен с возможностью передачи сигнала на вход второго модуля анализа текстуры поверхности окомкованной шихты, выполненного с возможностью преобразования сигналов в видеокадры окомкованой шихты и их обработки с помощью математических моделей, обеспечивающих получение данных о гранулометрическом составе окомкованной шихты, при этом датчик расхода воды, датчик расхода шихты и первый модуль связаны соответственно с первым, вторым и третьим входами блока прогнозирования гранулометрического состава окомкованной шихты, в котором реализована математическая модель технологического процесса окомкования шихты, а датчик расхода воды, датчик расхода шихты и второй модуль связаны с первым, вторым и третьими входами блока адаптации математической модели прогнозирования гранулометрического состава окомкованной шихты, причем четвертые входы упомянутых блоков связаны соответственно с их первыми выходами для обеспечения прямой и обратной связей, блок расчета вектора невязки выполнен с возможностью расчета задания для регулятора расхода воды, при этом первый вход блока расчета вектора невязки связан со вторым выходом блока прогнозирования гранулометрического состава шихты, второй вход - с задатчиком гранулометрического состава окомкованной шихты, а выход упомянутого блока связан с исполнительным механизмом изменения расхода воды через регулятор расхода воды.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что оптико-электронный датчик выполнен в виде видеокамеры, использующейся вместе с соответствующим источником света, предназначенным для обеспечения освещенности шихты, попадающей в обзор видеокамеры.

Images