Система контроля и регулирования работы газоструйной измельчительной установки для повышения ее производительности
Возрастающий спрос во многих отраслях промышленности на тонкодисперсные материалы, с одной стороны, и высокая энергоемкость технологического процесса измельчения, с другой стороны, делают актуальной задачу повышения производительности и снижения энергопотребления мельницами тонкого измельчения. Цель...
Saved in:
| Date: | 2018 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2018
|
| Series: | Технічна механіка |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/173902 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Система контроля и регулирования работы газоструйной измельчительной установки для повышения ее производительности / Н.С. Прядко, Г.А. Стрельников, Л.В. Музыка // Технічна механіка. — 2018. — № 2. — С. 113-123. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-173902 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1739022025-02-23T20:11:28Z Система контроля и регулирования работы газоструйной измельчительной установки для повышения ее производительности Система контролю й регулювання роботи газоструминної подрібнювальної установки для підвищення її продуктивності Development of a model system for controlling the jet grinding plant operation Прядко, Н.С. Стрельников, Г.А. Музыка, Л.В. Возрастающий спрос во многих отраслях промышленности на тонкодисперсные материалы, с одной стороны, и высокая энергоемкость технологического процесса измельчения, с другой стороны, делают актуальной задачу повышения производительности и снижения энергопотребления мельницами тонкого измельчения. Цель работы заключается в разработке системы контроля и регулирования производительности струйной измельчительной установки по результатам акустического мониторинга ее рабочих зон. Новый подход состоит в постоянном контроле гранулометрического состава материала и формировании управляющих воздействий по циркулирующей нагрузке измельчительной установки на основе анализа характеристик акустических сигналов в камере измельчения. Зростаючий попит у багатьох галузях промисловості на тонкодисперсні матеріали, з одного боку, та висока енергоємність технологічного процесу подрібнення, з іншого боку, роблять актуальним задачу підвищення продуктивності млинів тонкого подрібнення. Мета роботи полягає в розробці системи контролю і регулювання продуктивності струминної подрібнювальної установки за результатами акустичного моніторингу її робочих зон. Новий підхід полягає в постійному контролі гранулометричного складу матеріалу і формуванні керуючих впливів щодо циркулюючого навантаження подрібнювальної установки на основі аналізу характеристик акустичних сигналів в помольній камері. Increasing demand for fine materials in many industries from one hand, and high power consumption level of grinding process from another hand, makes the task of increasing of fine grinding mill productivity actual one. The aim of the work is to develop a system for monitoring and controlling the jet grinding plant productivity based on the results of acoustic monitoring of its working areas. The new approach consists in the constant control of the material granulometric composition and the formation of control actions over the circulating load of the grinding plant on the basis of the acoustic signal characteristic analysis. 2018 Article Система контроля и регулирования работы газоструйной измельчительной установки для повышения ее производительности / Н.С. Прядко, Г.А. Стрельников, Л.В. Музыка // Технічна механіка. — 2018. — № 2. — С. 113-123. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/173902 622.73 ru Технічна механіка application/pdf Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Возрастающий спрос во многих отраслях промышленности на тонкодисперсные материалы, с одной стороны, и высокая энергоемкость технологического процесса измельчения, с другой стороны, делают актуальной задачу повышения производительности и снижения энергопотребления мельницами тонкого измельчения. Цель работы заключается в разработке системы контроля и регулирования производительности струйной измельчительной установки по результатам акустического мониторинга ее рабочих зон. Новый подход состоит в постоянном контроле гранулометрического состава материала и формировании управляющих воздействий по циркулирующей нагрузке измельчительной установки на основе анализа характеристик акустических сигналов в камере измельчения. |
| format |
Article |
| author |
Прядко, Н.С. Стрельников, Г.А. Музыка, Л.В. |
| spellingShingle |
Прядко, Н.С. Стрельников, Г.А. Музыка, Л.В. Система контроля и регулирования работы газоструйной измельчительной установки для повышения ее производительности Технічна механіка |
| author_facet |
Прядко, Н.С. Стрельников, Г.А. Музыка, Л.В. |
| author_sort |
Прядко, Н.С. |
| title |
Система контроля и регулирования работы газоструйной измельчительной установки для повышения ее производительности |
| title_short |
Система контроля и регулирования работы газоструйной измельчительной установки для повышения ее производительности |
| title_full |
Система контроля и регулирования работы газоструйной измельчительной установки для повышения ее производительности |
| title_fullStr |
Система контроля и регулирования работы газоструйной измельчительной установки для повышения ее производительности |
| title_full_unstemmed |
Система контроля и регулирования работы газоструйной измельчительной установки для повышения ее производительности |
| title_sort |
система контроля и регулирования работы газоструйной измельчительной установки для повышения ее производительности |
| publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| publishDate |
2018 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/173902 |
| citation_txt |
Система контроля и регулирования работы газоструйной измельчительной установки для повышения ее производительности / Н.С. Прядко, Г.А. Стрельников, Л.В. Музыка // Технічна механіка. — 2018. — № 2. — С. 113-123. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Технічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT prâdkons sistemakontrolâiregulirovaniârabotygazostrujnojizmelʹčitelʹnojustanovkidlâpovyšeniâeeproizvoditelʹnosti AT strelʹnikovga sistemakontrolâiregulirovaniârabotygazostrujnojizmelʹčitelʹnojustanovkidlâpovyšeniâeeproizvoditelʹnosti AT muzykalv sistemakontrolâiregulirovaniârabotygazostrujnojizmelʹčitelʹnojustanovkidlâpovyšeniâeeproizvoditelʹnosti AT prâdkons sistemakontrolûjregulûvannârobotigazostruminnoípodríbnûvalʹnoíustanovkidlâpídviŝennâííproduktivností AT strelʹnikovga sistemakontrolûjregulûvannârobotigazostruminnoípodríbnûvalʹnoíustanovkidlâpídviŝennâííproduktivností AT muzykalv sistemakontrolûjregulûvannârobotigazostruminnoípodríbnûvalʹnoíustanovkidlâpídviŝennâííproduktivností AT prâdkons developmentofamodelsystemforcontrollingthejetgrindingplantoperation AT strelʹnikovga developmentofamodelsystemforcontrollingthejetgrindingplantoperation AT muzykalv developmentofamodelsystemforcontrollingthejetgrindingplantoperation |
| first_indexed |
2025-11-25T00:08:25Z |
| last_indexed |
2025-11-25T00:08:25Z |
| _version_ |
1849718792717860864 |
| fulltext |
113
УДК 622.73
Н. С. ПРЯДКО, Г. А. СТРЕЛЬНИКОВ, Л. В. МУЗЫКА
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
РАБОТЫ ГАЗОСТРУЙНОЙ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Институт технической механики
Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины,
ул. Лешко-Попеля, 15, 49005, Днепр, Украина; e-mail: np-2006@ukr.net
Зростаючий попит у багатьох галузях промисловості на тонкодисперсні матеріали, з одного боку, та
висока енергоємність технологічного процесу подрібнення, з іншого боку, роблять актуальним задачу
підвищення продуктивності млинів тонкого подрібнення. Мета роботи полягає в розробці системи конт-
ролю і регулювання продуктивності струминної подрібнювальної установки за результатами акустичного
моніторингу її робочих зон. Новий підхід полягає в постійному контролі гранулометричного складу мате-
ріалу і формуванні керуючих впливів щодо циркулюючого навантаження подрібнювальної установки на
основі аналізу характеристик акустичних сигналів в помольній камері.
Досліджено основні фактори, що впливають на ефективність струминного подрібнення матеріалів.
Побудована трирівнева модель враховує особливості замкнутого циклу подрібнення, кінетику грануломе-
тричного складу матеріалу в камері подрібнення і зв'язок процесу з характеристиками акустичних сигна-
лів. Показано, що для отримання високої продуктивності млина по готовому продукту заданої крупності
необхідно контролювати акустичні сигнали зони подрібнення і регулювати по ним заповнення помольної
камери, підтримуючи його на оптимальному рівні. Додаткова установка системи контролю в зоні транс-
портування готового продукту за класифікатором за типом «гранулометра» дозволить вносити додаткову
поправку , що робить моніторинг якості практично непереривним. За характеристиками записаних акус-
тичних сигналів система автоматично визначає наявність в двофазному потоці часток крупніших за конт-
рольний клас, і вказує на необхідність зміни режиму класифікації. Виключення вірогідності повторного
подрібнення підвищує якість продукції та знижую енерговитрати процесу. Ці дослідження будуть базою
для уточнення моделі та розробки автоматизованої системи управління струминної подрібнювальної уста-
новки.
Возрастающий спрос во многих отраслях промышленности на тонкодисперсные материалы, с одной
стороны, и высокая энергоемкость технологического процесса измельчения, с другой стороны, делают
актуальной задачу повышения производительности и снижения энергопотребления мельницами тонкого
измельчения. Цель работы заключается в разработке системы контроля и регулирования производитель-
ности струйной измельчительной установки по результатам акустического мониторинга ее рабочих зон.
Новый подход состоит в постоянном контроле гранулометрического состава материала и формировании
управляющих воздействий по циркулирующей нагрузке измельчительной установки на основе анализа
характеристик акустических сигналов в камере измельчения.
Исследованы основные факторы, влияющие на эффективность струйного измельчения материалов в
замкнутом цикле. Построенная трехуровневая модель процесса измельчения учитывает особенности замк-
нутого цикла измельчения, кинетику гранулометрического состава материала в камере измельчения и
связь процесса с характеристиками акустических сигналов. Показано, что для получения высокой произ-
водительности по готовому продукту заданной крупности необходимо контролировать акустические сиг-
налы зоны измельчения и регулировать по ним загрузку помольной камеры, поддерживая ее на оптималь-
ном уровне. Эти исследования могут служить базой для разработки автоматизированной системы управ-
ления струйной измельчительной установки. Дополнительная установка системы контроля в зоне транс-
портирования готового материала за классификатором по типу модели «гранулометра» позволит вносить
дополнительную поправку, делающую мониторинг качества практически непрерывным. По характеристи-
кам записанных акустических сигналов система автоматически определяет наличие в двухфазном потоке
частиц крупнее контрольного класса и указывает на необходимость корректировки режима классифика-
ции. Исключение вероятности повторного измельчения повышает качество продукции и снижает энерго-
потребление процесса. Эти исследования будут служить базой для уточнения модели и дальнейшей разра-
ботки автоматизированной системы управления струйной измельчительной установки.
Increasing demand for fine materials in many industries from one hand, and high power consumption level
of grinding process from another hand, makes the task of increasing of fine grinding mill productivity actual one.
The aim of the work is to develop a system for monitoring and controlling the jet grinding plant productivity
based on the results of acoustic monitoring of its working areas. The new approach consists in the constant con-
trol of the material granulometric composition and the formation of control actions over the circulating load of the
grinding plant on the basis of the acoustic signal characteristic analysis.
The main factors influencing on the material jet grinding efficiency are investigated. The constructed three-
level model takes into account the features of the closed grinding cycle, the kinetics of the material granulometric
composition in the grinding chamber, and the connection of the process with the acoustic signals characteristics.
It is shown that for obtaining high productivity for ready ground product of a given size, it is necessary to control
Н. С. Прядко, Г. А. Стрельников, Л. В. Музыка 2018
Техн. механіка. – 2018. – № 2.
114
the acoustic signals of the grinding zone and to regulate the grinding chamber feeding according to them, while
maintaining it at the optimum level. These studies can be a basis for the development of an automated control
system for a jet grinding plant. The additional installation of a control system in the transportation area of the
ready product behind the classifier as the "granulometer" type model allow introducing an additional correction
that makes the quality monitoring practically continuous. According to the characteristics of the recorded acoustic
signals, the system automatically determines the presence in the two-phase flow of particles larger than the control
class and indicates the need for adjusting the classification mode. The elimination of the probability of re-grinding
improves product quality and reduces the energy consumption of the process. These researches are basis for im-
proving model and development of jet grinding automatic control system.
Ключевые слова: струйное измельчение, контроль, модель, акустиче-
ские сигналы, амплитуда, частота, качество, готовый продукт.
Введение. Измельчение твердых материалов на сегодняшний день явля-
ется одной из актуальных проблем современной промышленности. В боль-
шинстве случаев использование твердых материалов в гетерогенных и твер-
дофазных реакциях без их предварительного измельчения вообще невозмож-
но. А если учесть, что многие применяемые промышленностью материалы
находятся в твердом состоянии, то измельчение является основной операцией
по их переработке.
Основными критериями качества измельченного продукта являются его
чистота, дисперсность и поверхностная активность. В совокупности данные
свойства материала влияют на многие технологические процессы, такие как
вскрытие руд, обогащение полезных ископаемых, выщелачивание отдельных
компонентов из минерального сырья, производство вяжущих веществ, удоб-
рений и т. д. [1].
Одним из ведущих факторов, влияющих на свойства измельченных ма-
териалов, является способ разрушения, определяемый типом мельниц. Из-
вестно, что лучшие показатели достигаются в струйных мельницах, где раз-
рушение происходит в струях за счет свободного удара частиц материала
друг о друга или о преграду. Однако к недостаткам этого вида измельчения
относят высокое энергопотребление струйных измельчительных установок.
Возрастающие потребности промышленности в тонкодисперсных материа-
лах определяют необходимость поиска способов повышения эффективности
измельчения, а следовательно, и снижения энергоемкости процесса.
Состояние вопроса. Существует несколько направлений повышения
эффективности тонкого измельчения в струях.
Для разрушения частиц за один или два удара необходимы большие ско-
рости движения дисперсного потока. Причем оптимальная разрушающая
скорость для частиц диаметром 0,001 мм на порядок больше, чем для частиц
диаметром 1мм [2]. Такая разница в скоростях отрицательно сказывается на
производительности мельницы, снижает коэффициент ее полезного действия.
Поэтому созданы измельчительные установки замкнутого цикла, включаю-
щие внешние или внутренние классификаторы [3]. Так, для грубого измель-
чения на первой стадии применяют замкнутый цикл с контрольной класси-
фикацией продукта после мельницы и возвратом в нее недоизмельченного
материала в виде циркулирующей нагрузки. Для тонкого измельчения мате-
риала (вторая и последующие стадии) применяют замкнутые циклы с пред-
варительной (до измельчения) и контрольной (после измельчения) классифи-
кацией [4]. Эти дополнительные устройства в схеме измельчительной уста-
115
новки позволяют уменьшить переизмельчение материала ввиду отбора из
исходного материала, а затем и из циркулирующей нагрузки мельницы, час-
тиц крупностью менее контролируемой. Тем самым, снижается энергоем-
кость процесса измельчения в целом.
Следующий шаг в направлении повышения производительности измель-
чительной установки состоит в поддержании процесса измельчения на опти-
мальном уровне. Это более сложная задача, и ее пытались решать многие ис-
следователи путем регулирования технологических параметров процесса и
управления режимами. Вопросы выбора оптимального режима измельчения
и управления процессом рассматривались давно [4 – 8]. Вопросам повыше-
ния эффективности работы измельчительных агрегатов посвящены труды
многих советских и зарубежных авторов: С. Е. Андреева, Б. А. Арефьева,
И. Г. Гривмава, Д. К. Крюкова, А. Н. Марюты, В. А. Олевского,
В. А. Петрова, О. Н. Тихонова, А. Е. Тропа, Г. А. Хаца, С. Ф. Шинкоренко,
Б. П. Яшина, Д. Ватсона, А. Линча и многих других. В частности, в [9] опи-
сано управление процессом струйного измельчения на базе анализа расход-
но-напорных характеристик пневмотранспортной сети, давления в камере
измельчения. Однако в этих случаях время запаздывания было слишком
большим и максимум загрузки не удавалось удерживать.
В Институте технической механики Национальной академии наук Ук-
раины и Государственного космического агентства Украины предложен но-
вый подход к анализу процесса измельчения в струйной мельнице, более
полно учитывающий особенности динамики процесса измельчения. Разрабо-
таны основы акустического мониторинга процесса, создана аппаратная база и
методика записи, обработки и анализа характеристик акустических сигналов,
записываемых в зоне измельчения и классификации [2]. На основе исследо-
ваний установлены связи технологических параметров и характеристик сиг-
налов акустического мониторинга, создана методика оптимизации процесса
измельчения по акустическим критериям и показателям работы струйной
мельницы и контроля дисперсности продуктов измельчения [10]. Все это по-
служило базой для разработки системы управления технологическим процес-
сом измельчения на основе результатов его акустического мониторинга.
Целью работы является разработка модели системы контроля и регули-
рования производительности струйной измельчительной установки на осно-
вании результатов акустического мониторинга ее рабочих зон.
Материалы исследования. Для адекватного контроля производитель-
ности мельницы разрабатывается комплексная модель измельчительной ус-
тановки, работающей в замкнутом цикле. Это значит, что модель описывает
все кинетические особенности измельчения материала от загрузки в бункер
до выгрузки готового продукта. Поэтому в работе представлены три уровня
моделирования (см. рис. 1) и процесс измельчения рассматривается с пози-
ции изменения гранулометрического состава материала.
116
Рис. 1 – Уровни моделирования процесса струйного измельчения
На первом уровне исследуется изменение крупности материала во всем
цикле измельчения, включая блок подачи материала, мельницу, классифика-
тор и блок разгрузки готового продукта. Модель второго уровня включает
кинетические преобразования классов крупности материала в камере из-
мельчения при столкновении частиц, подаваемых в струях энергоносителя.
Наконец, на третьем уровне рассматриваются процессы, происходящие
внутри частицы при ее разрушении. Такой комплексный подход к описа-
нию изменения крупности материала при измельчении позволяет опреде-
лить важные контрольные точки в процессе для правильного его регулиро-
вания и управления.
Схема замкнутого цикла струйного измельчения представлена на рис. 2.
Рис. 2 – Схема замкнутого цикла струйного измельчения
Поток исходного материала из бункера загрузки подается в измельчи-
тельную установку под некоторым давлением в струях энергоносителя. Для
тонкого помола продукт подают первоначально в помольную камеру, из ко-
торой под избыточным давлением частично измельченный продукт подается
в классификатор, далее готовый продукт поступает в бункер для выгрузки, а
материал крупнее требуемого поступает циркулирующей нагрузкой в мель-
ницу на доизмельчение, смешиваясь с исходным материалом.
Рассматриваемый процесс измельчения в замкнутом цикле с периодиче-
ской загрузкой подвержен воздействию внешних возмущений (поступление
новых порций материала, изменение качества (крупности) исходного материа-
117
ла) и обладает внутренней стохастической составляющей (процесс разрушения
частиц при столкновении). Однако внешние возмущения приложены на входе
и их роль, как и внутренней стохастической составляющей процесса, относи-
тельно незначительна [7] при установившемся рабочем режиме. Главную роль
в изменении переменных состояний играет широкое использование рециклов в
данных процессах, вследствие чего в замкнутых циклах возникают относи-
тельно длительные и достаточно гладкие переходные процессы.
Статическая характеристика мельницы в замкнутом цикле измельчения
имеет экстремальный характер и может быть описана в общем виде парабо-
лой [2]:
2
0 1 2= + -Г М МQ a a Q a Q , (1)
где ГQ , кг/ч – производительность мельницы по готовой продукции,
МQ , кг/ч – производительность по исходному материалу, ia – постоянные.
На рис. 3 показан график этой зависимости.
Рис. 3 – Изменение максимальной производительности мельницы по исходному
материалу в замкнутом цикле измельчения.
Рабочая точка в условиях реального промышленного измельчения обыч-
но располагается на восходящей ветви характеристики ( 1MQ ) с тем, чтобы
был запас по производительности и возможность естественного регулирова-
ния: для увеличения ГQ увеличивают МQ и наоборот. Если же мельницу
несколько перегрузить, то рабочая точка переместится в точку 2MQ на нис-
падающей ветви статической характеристики. Производительность по гото-
вому продукту ГQ будет неизменной, а количество материала в мельнице
будет больше. Тогда может возникнуть ситуация, когда с увеличением МQ
производительность по готовому продукту ГQ будет уменьшаться, что недо-
пустимо с позиций управления.
Если же в момент, когда 2=М MQ Q , снять нагрузку на мельницу, т. е.
прекратить подачу материала, то циркулирующая нагрузка уменьшиться,
замкнутый цикл измельчения начнет разгружаться и рабочая точка по стати-
ческой характеристике будет двигаться через экстремум, т. е. выход готового
продукта будет увеличиваться.
Следовательно, в динамическом режиме возможно увеличение ГQ за
счет того, что рабочая точка будет блуждать между 1MQ и 2MQ при увели-
чении и снижении нагрузки. Таким образом, если в нужные моменты работы
118
замкнутого цикла измельчения подавать нагрузку, которая вызовет смещение
рабочей точки в экстремум, а затем снимать нагрузку для смещения рабочей
точки в т. 1MQ , то можно добиться увеличения производительности по гото-
вому продукту. На этом основана идея управления процессом измельчения в
замкнутом цикле для повышения его производительности.
Однако при этом надо учитывать особенности функционирования замк-
нутого цикла. Чем труднее измельчается материал, тем больше материала
поступает из классификатора в циркулирующую нагрузку на доизмельчение.
Поэтому возможна ситуация, когда количество циркулирующей нагрузки не-
ограниченно увеличивается, и в результате измельчительный аппарат также
неограниченно принимает нагрузку и достигает такого режима, когда он не в
состоянии переработать поступающий на него материал. Это может привести
к аварийному режиму, остановке процесса измельчения, и чтобы его избе-
жать, необходимо отключить поток свежего материала до тех пор, пока ко-
личество циркулирующей нагрузки станет ниже критического уровня или не
снизится до допустимого уровня. После того как этот уровень будет достиг-
нут, можно снова увеличить подачу свежего материала в цикл измельчения.
Таким образом, циркулирующая нагрузка является управляющим воздейст-
вием, которое может существенно изменять производительность замкнутого
цикла измельчения.
Проведенные рассуждения позволяют сделать вывод о том, что необхо-
дим выбор скачка изменения производительности цикла измельчения по ис-
ходному материалу, когда происходит переход его через критический уро-
вень. Наконец, необходимо определить по состоянию процесса момент пере-
хода режимом измельчения критического уровня. Решение перечисленных
задач путем управления процессом позволит решить проблему создания оп-
тимальных условий тонкого помола для получения высокой производитель-
ности по тонкодисперсному продукту.
Исследования [2, 10] процессов газоструйного измельчения показали
возможность создания системы управления с использованием результатов
акустического мониторинга процесса измельчения.
Для этого рассмотрим модель второго уровня, т. е. процессов в самой
камере измельчения.
Для создания модели преобразования классов крупности материала в ка-
мере измельчения в ходе столкновения частиц, подаваемых в противоточных
струях энергоносителя, используются сигналы, записываемые датчиком при
непрерывном акустическом мониторинге. Режим процесса измельчения и
состояние измельчаемого материала определяются характеристиками аку-
стических сигналов рабочих зон мельницы [2]. Поэтому математическая мо-
дель основана на анализе амплитуды акустических сигналов (АС), записан-
ных в каждый дискретный момент времени процесса измельчения. Таким
образом, на втором этапе моделирования процесс измельчения в камере рас-
сматривается как динамическая система, для которой состояние однозначно
определяется совокупностью АС в данный момент времени и заданными за-
кономерностями, которые описывают изменение (эволюцию) начального со-
стояния с течением времени. Процесс моделируется на основе цепей Марко-
ва с применением ячеечной модели.
119
Для создания ячеечной модели весь диапазон акустических сигналов
разбивается на поддиапазоны сигналов со средними размерами амплитуды,
, 1,2...=iA i m , где 1i соответствует maxA . Таким образом, все акустиче-
ские сигналы, записываемые в ходе мониторинга, разбиваются на m ячеек
по размерам их амплитуд. Число сигналов с соответствующими амплитудами
определяет состояние элементарной ячейки. Количество АС может быть
представлено вектором столбцом ( ), 1,...= =iN n i m , где in – число АС
i ячейки, т. е. число сигналов, имеющих амплитуду iA . Каждое состояние
характеризуется определенной вероятностью, которая может рассматривать-
ся как доля сигналов соответствующей амплитуды iA .
Процесс измельчения рассматривается как последовательность малых
промежутков времени D t – времени перехода. В этом случае текущие мо-
менты времени процесса и записи акустического мониторинга будут опреде-
ляться как = Dkt k t , где целое число 1,2...=k – номер перехода. Его можно
рассматривать как дискретный текущий момент времени. За k -й переход
вектор состояния kN перейдет в 1+kN . Этот переход обусловлен различны-
ми событиями, которые происходят внутри каждой ячейки: прямое столкно-
вение частиц и их касание, разрушение крупных частиц на более мелкие и
отламывание осколков, появление трещин в крупных частицах и т. д. В ре-
зультате измельчения частицы становятся меньше и, соответственно, ампли-
туды измеряемых сигналов – меньше. Таким образом, состояние материала в
камере описывается совокупностью сигналов, записанных в ней, при этом
амплитуды указанных сигналов ,{ }=k i jA А , связанные с размерами частиц в
камере, составляют поле ячеек, соответствующих размеру частиц [11].
Изменение амплитуды записанных сигналов в ходе измельчения за шаг
времени перехода по ячеечной модели вычисляется из матричного равенства
1+ =k kA GA , G – где матрица измельчения с элементами i jg , значения кото-
рых можно трактовать, как вероятности перехода в другие ячейки. Эти коэф-
фициенты образуют треугольную матрицу вероятностей перехода при из-
мельчении.
1...3
..........
0...0
0...0
21
2221
11
gmgg
gg
g
G
mm
1...
..........
0...1
0...01
2211
2211
1
tbStbS
tStbS
tS
mm
, (2)
где S и b – селективная и распределительная функции измельчения соответст-
венно. Селективная функция измельчения )(AS , описывающая скорость из-
мельчения, в нашем случае описывает скорость уменьшения в единицу времени
количества сигналов с величиной амплитуды, попадающей в ячейку (поддиапа-
зон) iA . Таким образом, tSnn iii . Сигналы с пониженным уровнем ам-
плитуды переходят в соседние ячейки, где находятся сигналы с меньшими ам-
плитудами. Этот процесс описывается распределительной функцией { }= i jB b ,
120
которая показывает вероятность перехода сигналов из j-й ячейки в i-ю. Процесс
измельчения приводит к увеличению числа записанных в дискретный момент
времени сигналов, помещенных в ячейке с меньшими амплитудами, на величину
+ -D = D = Dе еi i j i i i i j
j j
n b n S t n b .
Разрушение частиц, при котором появляются сигналы с амплитудой iA ,
происходит при удельной мощности сигналов i jP . Элементы i jP представ-
ляют собой величину удельной мощности сигнала в каждой i-й ячейке (т. е.
поддиапазоне сигналов с величиной амплитуды iA ) на j-м переходе:
m
i
ii An
t
AP
1
21)( . (3)
Выражения для определения селективной и распределительной функции
измельчения имеют вид:
tS
PB
t
PS
i
i
i
i
i
,1
. (4)
Таким образом, при периодической загрузке материала в мельницу мат-
рица измельчения определяется по амплитудам записанных сигналов акусти-
ческого мониторинга процесса. Этот факт используется для управления ре-
жимами измельчения.
После установления стабильной работы мельницы производительность
зависит при прочих равных условиях от соотношения отдельных фракций в
общем объеме материала до и после измельчения [3], поэтому важно контро-
лировать наличие отдельных фракций в камере и в каналах за ней. Используя
анализ акустических сигналов, записанных в зоне двухфазного потока за
классификатором (см. рис.1), можно контролировать качество готового про-
дукта [11].
Для создания модели третьего уровня, модели «гранулометра», т. е. опи-
сания процесса разрушения отдельной частицы, используем установленный
факт [10, 12] зависимости дисперсии (разброс) характерной частоты акусти-
ческих сигналов от крупности материала, транспортируемого в потоке.
Для контроля крупности материала в камере создана модель кинетики
переходов материала между фракциями внутри мельницы, отраженная в из-
менениях характеристик записанных сигналов. Обычно при промышленном
измельчении материала в технологических требованиях к готовому продукту
указывается его необходимый класс крупности и допустимый процент нали-
чия частиц класса крупнее контрольного. При моделировании для опреде-
ленности используется пятифракционная модель материала при измельчении
с контрольной фракцией 5F . Модель построена по следующему принципу.
Существуют пять фракций iF , 51i , имитирующих массу фракций внутри
мельницы (см. рис. 4).
121
Рис. 4 – Схема кинетики гранулометрического состава материала
в мельнице и изменения дисперсии характерной частоты сигналов
В начальный момент времени во фракциях 1F , 2F , 3F , 4F находится оп-
ределенная масса исходного материала. Материал в контролируемой фрак-
ции 5F отсутствует. Предварительными исследованиями [15] для различных
материалов (шлак, шамот, циркон, кварцевый песок, магнетитовый кварцит и
др.) установлены характерные частоты сигналов при транспортировании
фракций материала, определены зависимости дисперсии этих частот от мас-
сы соответствующей фракции. Исследования показали, что эти зависимости
носят линейный характер и коэффициенты зависят от свойств материала и
размера частиц фракции [12]. Поэтому для исследуемого материала доста-
точного одного предварительного испытания для уточнения коэффициентов
зависимостей.
В момент анализа состояния материала в камере по установленным зави-
симостям и записанным сигналам мониторинга определяются массы фрак-
ций. Так, начальному моменту 1t соответствовали начальные массы фракций
iF и начальные дисперсии характерной частоты iD . В следующий момент
2t массы фракций изменились ( ў
iF ), и, соответственно, изменились диспер-
сии характерной частоты ў
iD (см. рис. 4). Значение массы фракций в каждый
момент времени вычисляется в соответствии с дифференциальными уравне-
ниями:
5
1
( ) /
=
= - еi i j j
j
d F dt k F . (5)
Причем 5, 1= -jk . Значения коэффициентов ,i jk , определяющих измене-
ния гранулометрического состава, в общем случае зависят от многих пара-
метров. Полагаем, что они определяются вероятностью перехода i-й фракции
в j-ю фракцию.
Описанная модель третьего уровня дает возможность контролировать
гранулометрический состав в зоне измельчения, а это значит, что известна
информация о массе контролируемой фракции, выходящей из камеры из-
мельчения. Поскольку система классификации настроена на удаление частиц
122
контролируемого класса и мельче в бункер готового продукта, то тем самым
нам известна производительность мельницы. Таким образом, наличие модели
третьего уровня (модели «гранулометра») в системе контроля позволяет
иметь постоянную информацию о гранулометрическом составе в зоне из-
мельчения и производительности измельчительной установки по готовому
продукту.
Далее задача разрабатываемой системы автоматического управления
струйным измельчением состоит в выборе такого заполнения помольной ка-
меры, которое бы давало требуемую производительность по выходу готового
класса. Выбор оптимальной загрузки камеры осуществляется, исходя из мо-
делей трех уровней, на основе анализа акустических сигналов рабочих зон
установки. Это включает:
– определение уровня производительности на основе первой модели и запись
соответствующих характеристик акустических сигналов зоны измельчения;
– определение матрицы измельчения по второй модели и контроль ре-
жима измельчения;
– контроль гранулометрического состава в камере и определение необ-
ходимого времени загрузки новой порции материала по третьей модели.
По результатам работы системы контроля режимов измельчения и анали-
за сигналов зоны измельчения выдается команда на изменение (пополнение)
циркулирующей нагрузки и включается в работу бункер загрузки материала.
Дополнительная установка системы контроля в зоне транспортирования
готового материала за классификатором по типу модели «гранулометра» по-
зволяет вносить дополнительную поправку, делающую мониторинг качества
практически непрерывным. По характеристикам записанных акустических
сигналов система автоматически определяет наличие в двухфазном потоке час-
тиц крупнее контрольного класса и указывает на необходимость корректиров-
ки режима классификации. Исключение вероятности повторного измельчения
повышает качество продукции и снижает энергопотребление процесса.
Выводы. Разработан метод управления процессом измельчения, осно-
ванный на постоянном контроле гранулометрического состава материала и
формировании управляющих воздействий по циркулирующей нагрузке из-
мельчительной установки на основе анализа сигналов акустического монито-
ринга рабочих зон.
Построенная трехуровневая модель учитывает особенности замкнутого
цикла измельчения, кинетику гранулометрического состава материала в ка-
мере измельчения и связь процесса с характеристиками акустических сигна-
лов. Показано, что для получения высокой производительности по готовому
продукту заданной крупности необходимо контролировать акустические сиг-
налы зоны измельчения и регулировать по ним заполнение помольной каме-
ры, поддерживая ее на оптимальном уровне.
Необходимо провести дальнейшие исследования по разработке автома-
тизированной системы управления измельчительной установкой, ее струк-
турной и функциональной схемы.
1. Андреев Е. Е., Тихонов О. Н. Дробление, измельчение и подготовка сырья к обогащению. СПб: Cанкт-
Петербургский гос. горный ун-т., 2007. 439 с.
2. Прядко Н. С. Развитие теории тонкого измельчения полезных ископаемых: автореферат дисс. д-ра техн.
наук: 05.15.08, НГУ. Днепропетровск, 2015. 36 с.
123
3. Pivnyak G. G., Pilov P. I., Pryadko N. S. Decrease of Power Consumption in Fine Grinding of Minerals. Mine
Planning and Equipment Selection C Drebenstedt and R. Singhal (eds), @ Springer International Publishing
Switserland, 2014. P. 1069–1079. DOI: 10.1007/978-3-319-02678-7_104.
4. Линч А. Д. Циклы дробления и измельчения. Моделирование, оптимизация, проектирование и управле-
ние: пер с англ. М.: Недра, 1981. 343 с.
5. Утеуш Э. В., Утеуш З. В. Управление измельчительными агрегатами. М.: Машиностроение, 1973.
280 с.
6. Марюта А. Н. Автоматическая оптимизация процесса обогащения руд на магнитно-обогатительных
фабриках. М.: Недра, 1975. 231 с.
7. Черноусько Ф. Л., Колмановский В. Б. Оптимальное управление при случайных возмущениях. М.: Нау-
ка, 1978. 351 с.
8. Gommeren H. J. C., Heitzmann D. A., Moolenaar J. A. C., Scarlett B. Modelling and control of jet mill plant
Powder Technology. 2000. № 108. P. 147–154.
9. Горобец В. И. Оптимизация параметров и разработка способа автоматического регулирования газо-
струйной мельницы: автореферат дисс. канд. техн. наук: 05.13.07. НГУ. Днепропетровск, 1972 г.
21 с.
10. Терновая Е. В. Анализ частот сигналов при транспортировании и измельчении сыпучих материалов в
потоке. Збагачення корисних копалин. 2016. № 63 (104). С. 59–65.
11. Музыка Л. В., Прядко Н. С. Моделирование и управление работой струйной мельницы. Материалы IX-
ой международной конференции «Молодые ученые 2018 – от теории к практике» (16 февраля 2018 г.,
Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепр). С. 194–197.
12. Прядко Н. С., Терновая Е. В. Установление возможности оценки фракционного состава сыпучих мате-
риалов по частотным характеристикам акустических сигналов в потоке. Збагачення корисних копа-
лин. 2017. № 67 (108). С. 161–168.
Получено 10.05.2018,
в окончательном варианте 30.05.2018
|