Патент на изобретение №2366495

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ КОМПОНЕНТОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам контроля и управления процессом смешивания текущих потоков сыпучих компонентов и может применяться в химической, строительной, силикатной, горнорудной, агломерационной, металлургической и других отраслях промышленности. Определяют и синхронизируют значения масс сырьевых компонентов, поступающих в емкость усреднения за интервалы времени, содержаний химических элементов и оксидов в сырьевых компонентах, поступающих в емкость усреднения за интервалы времени, средневзвешенных содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за интервалы времени, постоянной времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, и значения коэффициента передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения. Технический результат – повышение эффективности управления процессом смешивания сыпучих компонентов. 1 ил.

Изобретение относится к способам для контроля и управления процессом смешивания текущих потоков сыпучих компонентов и может широко применяться в химической, строительной, силикатной, горнорудной, агломерационной, металлургической и других отраслях промышленности.

Известен способ усреднения сыпучих материалов в непрерывном потоке, по которому последовательно измеряют насыпную плотность сыпучего материала в неусредненном потоке, неусредненный поток разделяют на два вспомогательных потока по знакам приращения плотности перемешиваемого сыпучего материала, накапливают, смешивают, вновь измеряют приращение плотности, при превышении плотности над заданной сыпучий материал возвращают и вновь перемешивают с исходным (А.с. СССР 663423, кл. B01F 3/18, G05D 27/00, опубл. 25.05.1979 г.).

Недостатками известного способа являются энергоемкость, низкая производительность, повышенные потери при усреднении, исключена возможность использования способа для усреднения многокомпонентных сыпучих смесей и значительных (порядка тысяч тонн и выше) объемов усредняемых компонентов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является известный способ усреднения сыпучих материалов в непрерывном потоке, предусматривающий дополнительный блок прогнозирования возмущений, обусловленных отклонениями фактических результатов анализа от расчетных значений (А.с. СССР 1122516, кл. B28C 5/60, опубл. 07.11.1984 г.).

Недостатком известного способа является запаздывание информации о результатах измерений, что снижает эффективность управления процессом смешивания сыпучих компонентов.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности управления процессом смешивания сыпучих компонентов за счет прогнозирования средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов, например, железа, серы, оксида кальция, двуокиси кремния, в емкости усреднения, например на складе концентратов, на период ее полной загрузки.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что в способе управления процессом смешивания сыпучих компонентов, включающем смешивание и дозирование, дополнительно определяют массы сырьевых компонентов, поступающих в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, определяют содержания химических элементов и оксидов в i-м сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, определяют средневзвешенные значения Y_k-1, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, определяют значения постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+1 и содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, по зависимости

T=-t₀/ln((Y_k+l-Y_k)/(Y_k-Y_k-l))

где t₀ – интервал квантования, с,

определяют значения коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, по зависимости

K=(Y_k-Y_k-1)/(1-(Y_k+1-Y_k)/(Y_k-Y_k-1),

определяют переходную функцию (t) прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения, а также прогнозируемые средневзвешенные значения содержаний химических элементов и оксидов на весь период формирования емкости усреднения по зависимостям

(t)=K·(1-exp(-t/T))

где t – текущее время, ч;

Т – инерционность емкости усреднения, ч;

Т_ш – период формирования емкости усреднения с,

определяют целевую функцию J, обеспечивающую минимальное отклонение прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения от заданного значения, по зависимости

,

где Q_i – расход i-го сырьевого компонента, кг;

* – требуемое содержание химического элемента или оксида в емкости усреднения, %,

в соответствии с целевой функцией J определяют оптимальные задания регуляторам расходов сыпучих сырьевых компонентов, поступающих в емкость усреднения, путем приравнивания нулю частных производных

при выполнении ограничений

Q_i=Q*,

Q_iminQ_iQ_imax,

где Q^* – сменное задание по объему сырья, загружаемому в емкость среднения, м³;

Q_imin, Q_imax – соответственно минимально допустимый и максимально возможный объемы сырьевых компонентов смеси, м³,

синхронизируют значения масс сырьевых компонентов, поступающих в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, значения содержаний химических элементов и оксидов в сырьевых компонентах, поступающих в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, значения средневзвешенных Y_k-1, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, значения постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, и значения коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-l, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения.

На чертеже изображена структурная схема для реализации предлагаемого способа управления процессом смешивания сыпучих компонентов.

Схема содержит по числу смешиваемых сырьевых компонентов накопительные емкости 1, анализатор 2 химического состава i-го сырьевого компонента, смеситель, выполненный в виде соответствующего поточного транспортера 3 i-го сырьевого компонента с соответствующим регулируемым приводом 4, дозатор расхода i-го сырьевого компонента, выполненный в виде последовательно соединенных соответствующих конвейерных весов 5, соответствующего регулятора 6 расхода i-го сырьевого компонента и соответствующего привода 4 соответствующего поточного транспортера 3 подачи i-го сырьевого компонента в емкость усреднения 7. Схема дополнительно содержит блок 8 расчета масс i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, блок 9 расчета содержаний химических элементов и оксидов в i-м сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, блок 10 расчета средневзвешенных значений Y_k-l, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, блок 11 расчета значений постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-l, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, блок 12 расчета значений коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-l, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, последовательно соединенные блок 13 расчета переходной функции (t) прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов или оксидов и прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов или оксидов в емкости усреднения 7 на весь период ее формирования, входа которого соединены с выходами блока 11 расчета значений постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-l, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, и блока 12 расчета значений коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-l, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, блок 14 расчета целевой функции J минимизации отклонений прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 от заданных значений, блок 15 расчета оптимального задания регулятору 6 расхода i-го сыпучего сырьевого компонента и первый вход соответствующего регулятора 6 расхода i-го сырьевого компонента, второй вход которого соединен с первым выходом соответствующих конвейерных весов 5, а также блок 16 синхронизации работы блоков 8, 9, 10, 11, 12, выходы которого соединены с соответствующими им первыми входами блока 8 расчета значений массы сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, блока 9 расчета значений содержаний

химических элементов и оксидов в i-ом сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, блока 10 расчета средневзвешенных Y_k-l, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, блока 11 расчета значений постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-l, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, и блока 12 расчета значений коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-l, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, при этом выход соответствующего анализатора 2 химического состава i-го сырьевого компонента последовательно соединен с вторым входом блока 9 расчета содержаний химических элементов и оксидов в i-ом сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, второй выход соответствующих конвейерных весов 5 i-го сырьевого компонента последовательно соединен с вторым входом блока 8 расчета масс расчета значений массы i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения 7 за (k-l)-й, k-й, (k+l)-й интервалы времени, первые, вторые и третьи выхода блока 8 расчета масс расчета значений массы i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, и блока 9 расчета содержаний химических элементов и оксидов в i-ом сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, соединены соответственно с вторым, третьим, четвертым и пятым, шестым, седьмым входами блока 10 расчета средневзвешенных значений Y_k-l, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, первый, второй и третий выхода которого соединены соответственно с вторыми, третьими и четвертыми входами блока 11 расчета значений постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, и блока 12 расчета значений коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения.

В качестве блоков 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 используется компьютер, например, IBM PC-совместимый, в котором по специальной программе, алгоритм которых описан ниже, осуществляются операции суммирования, вычитания, интегрирования, синхронизации сигналов и дальнейшей обработки величин, определяемых математической постановкой задачи.

Способ осуществляется следующим образом.

Исходный материал смешиваемого i-го сырьевого сыпучего компонента из соответствующей накопительной емкости 1 поступает по соответствующему поточному транспортеру 3, например ленточному конвейеру, в емкость усреднения 7, при этом непрерывное измерение расхода i-го сырьевого компонента осуществляется соответствующими конвейерными весами 5, например, типа ВЕКО 2М фирмы Метран.

Сигнал с первого выхода соответствующих конвейерных весов 5 поступает на второй вход соответствующего регулятора 6 расхода i-го компонента, со второго – на второй вход блока 8 расчета значений масс i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, который выполняется по зависимостям

где t₀ – интервал квантования, с;

Q_i(t_m) – расход i-го смешиваемого сырьевого сыпучего компонента в момент времени t_m, кг/с.

Установленный на выходе соответствующей накопительной емкости 1 соответствующий анализатор 2 химического состава i-го сырьевого компонента, например рентгено-флуоресцентный анализатор «МЭДА», осуществляет дискретный экспрессный количественный анализ i-го сырьевого компонента, выход анализатора 2 химического состава i-го сырьевого компонента в накопительных емкостях соединен со вторым входом блока 9 расчета значений химических элементов и оксидов, например, железа, серы, оксида кальция, двуокиси магния, в i-ом сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, который выполняется по зависимостям

где Fe_i – содержание одного из химических элементов и оксидов, например, железа, в i-м сырьевом компоненте в момент времени t_m, %.

Первый, второй, третий выходы блока 8 расчета значений массы i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, и блока 9 расчета значений содержаний химических элементов и оксидов в i-м сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, соединены соответственно с вторым, третьим, четвертым и пятым, шестым, седьмым входами блока 10 расчета средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов, например железа, в емкости усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, который выполняется по зависимостям

Первый, второй, третий выхода блока 10 расчета средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени соединены с соответствующими им вторым, третьим, четвертым входами блока 11 расчета значений постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, а также с соответствующими вторым, третьим, четвертым входами блока 12 расчета значений коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, расчет выполняется по зависимостям

T=-t₀/ln((Y_k+l-Y_k)/(Y_k-Y_k-l)),

K=(Y_k-Y_k-l)/(1-(Y_k+l-Y_k)/(Y_k-Y_k-l)).

Выходы блока 11 расчета значений постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, и блока 12 расчета значений коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+l содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, соединены с соответствующими им первым и вторым входами блока 13 расчета прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов и переходной функции (t) прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 на весь период ее формирования, который выполняется по зависимостям

(t)=K·(1-exp(-t/T)),

где Т_ш – период формирования емкости усреднения 7, с;

t – текущее время, ч;

Т – инерционность емкости усреднения, ч.

Выход блока 13 соединен с входом блока 14, рассчитывающего целевую функцию J, обеспечивающую минимальное отклонение прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 от заданного значения по зависимости

,

где * – требуемое содержание химического элемента или оксида в емкости усреднения 7, %.

Выход блока 14 соединен со входом блока 15 расчета оптимального задания соответствующему регулятору 6 расхода i-го сыпучего сырьевого компонента, обеспечивающего минимальные отклонения прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов или оксидов в емкости усреднения 7 от заданных значений, выход которого соединен с первым входом соответствующего регулятора 6 расхода i-го сыпучего сырьевого компонента. Оптимальные задания соответствующему регулятору 6 расхода i-го сыпучего сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения 7, находят путем приравнивания нулю частных производных

при выполнении ограничений

Q_i=Q*,

Q_iminQ_iQ_imax,

где Q^* – сменное задание по объему сырья, загружаемому в емкость усреднения 7 м³;

Q_imin, Q_imax – соответственно минимально допустимый и максимально возможный объемы сырьевых компонентов смеси, м³.

Блок 16 синхронизирует работу блоков 8, 9, 10, 11, 12, выходы блока 16 синхронизации работы соединены с соответствующими им вторыми входами блока 8 расчета значений массы i-го сырьевого компонента, поступающего в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, и блока 9 расчета значений содержаний химических элементов и оксидов в i-м сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, седьмым входом блока 10 расчета средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, четвертыми входами блока 11 расчета значений постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения и блока 12 расчета значений коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения.

Благодаря введенным блокам и связям, учитывается динамика изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 в процессе ее заполнения, расчет прогнозирования средневзвешенных значений химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 на период ее полной загрузки позволяет уменьшить величину отклонений прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения 7 от заданного значения и достичь технического результата изобретения – повысить эффективность управления процессом смешивания сыпучих компонентов.

Формула изобретения

Способ управления процессом смешивания сыпучих компонентов, включающий смешивание и дозирование, отличающийся тем, что дополнительно определяют массы , , сырьевых компонентов, поступающих в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, определяют содержания , , химических элементов и оксидов в i-м сырьевом компоненте, поступающем в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, определяют средневзвешенные значения Y_k-1, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, определяют значения постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+1 и содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, по зависимости
T=-t₀/ln(Y_k-1, Y_k)(Y_k-Y_k-1),
где t₀ – интервал квантования, с,
определяют значения коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, по зависимости
K=(Y_k-Y_k-1)/(1-(Y_k+1,-Y_k)/(Y_k-Y_k-1),
определяют переходную функцию (t) прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения, также прогнозируемые средневзавешенные значения содержаний химических элементов и оксидов на весь период формирования емкости усреднения по зависимостям

где t – текущее время, ч;
Т – инерционность емкости усреднения, ч;
T_ш – период формирования емкости усреднения, с,
определяют целевую функцию J, обеспечивающую минимальное отклонение прогнозируемых средневзвешенных значений содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения от заданного значения, по зависимости

где Q_i – расход i-го сырьевого компонента, кг;
* – требуемое содержание химического элемента или оксида в емкости усреднения, %,
в соответствии с целевой функцией J определяют оптимальные задания регуляторам расходов сыпучих сырьевых компонентов, поступающих в емкость усреднения, путем приравнивания к нулю частных производных

при выполнении ограничений
Q_i=Q*,
Q_iminQ_iQ_imax,
где Q – сменное задание по объему сырья, загружаемому в емкость усреднения, м³;
Q_imin, Q_imax – соответственно минимально допустимый и максимально возможный объемы сырьевых компонентов смеси, м³,
синхронизируют значения , , масс сырьевых компонентов, поступающих в емкость усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, значения , , содержаний химических элементов и оксидов в сырьевых компонентах, поступающих в емкость усреднения за (k+1)-й, k-й, (k-1)-й, интервалы времени, значения средневзвешенных Y_k-1, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения за (k-1)-й, k-й, (k+1)-й интервалы времени, значения постоянной Т времени динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения, и значения коэффициента К передачи динамического звена, описывающего изменения средневзвешенных значений Y_k-1, Y_k и Y_k+1 содержаний химических элементов и оксидов в емкости усреднения в процессе ее заполнения.

РИСУНКИ