ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: GÓRNICTWO z. 190
_________ 1990 Nr kol. 1088
Kazimierz SZ TABAX Barbara T O R A x
PROBLEMY STEROWANIA OPTYMALIZUJĄCEGO WIELOSTADIALNYCH UKŁADÓW TECHNOLOGICZNYCH
Stre sz cz en ie. W referacie przedstawiono zasady sterowania oddzia- łem wielostadialnego odwadniania koncentratu miedzi za pomoc? mik- krok om pu te ra.
Układ sterowania Jest hierarchiczny:
- na niższym poziomie zawiera sterowanie operacjami jednostkowymi (sterowanie lokalne),
- na wyższym sterowanie całym oddziałem.
Mikrokomputer służy również do rejestracji i archiwizacji para
metrów technologicznych. Opisany sposób sterowania optymalizującego został wdrożony w Zakładzie Wzbogacania Rud Miedzi. Efekte.m wdroże
nia jest obniżenie sumarycznego zużycia energii o ok. 10%. Temat jest realizowany w ramach CPBP 03.07. "Badania podstaw procesów wzbogacania ko pa li n”.
Układ technologiczny - np. wzrobacania - realizuje określonę funkcję celu, Jakę jest np. uzyskanie koncentratu o określonej zawartości metalu czy popiołu. Natomiast kolejne operacje jednostkowe wchodzęce w skład tego układu realizuję cele jednostkowe, które nie zawsze sę identyczne z celem głównym.
Przykładowo, w procesie flotacyjnego wzbogacania rud miedzi zadaniem flotacji głównej jest wydzielenie odpadów o jak najmniejszej zawartości składnika użytecznego.
Kolejne operacje jednostkowe mogę przebiegać z wykorzystaniem odmien
nych zjawisk fizycznych, nałożone sę na nie różne ograniczenia technolo
giczne. Istnieję pomiędzy nimi zależności (np. sekwencja operacji wykony
wanych na tym samym materiale, sprzężenia zwrotne - zawroty itp. ).
w efekcie powoduje to, że problem optymalizacji tylko do pewnego stop
nia może być rozwlęzany drogę optymalizacji poszczególnych operacji Jed
nostkowych, natomiast zwiększenie efektywności można uzyskać tylko w w y niku optymalizacji całego układu.
Problemy identyfikacji 1 sterowania jednostkowymi operacjami wchodzą
cymi w skład układu technologicznego wzbogacania kopaliny sę dla wszyst-
xT---Instytut Przeróbki 1 Wykorzystania Surowców Mineralnych, Akademia Gór
niczo-Hutnicza - Kraków.
306 K. Sztaba, B. Tora
kich operacji praktycznie rozwiązane . Dotyczy to także takich ukła
dów wielofunkcyjnych. W niniejszej pracy przedstawiono koncepcję sterowa
nia optymalizującego w i e l o s t a d i a l n y c h , Jednofunkcyjnych układów technolo
gicznych. Dotyczę one przypadków, w których określone zadanie Jednostkowe realizuje się stopniowo w następujęcych po sobie ujęciach - stadiach.
Dako przykład praktycznego zastosowania niniejszej koncepcji przedsta
wion e będzie sterowanie trój etapowym układem odwadniania koncentratu m i e
dzi. Wybór procesu został podyktowany tym, że stanowi on jeden z nielicz
nych przykładów realizowania kolejnych stadiów na całkowicie odmiennej drodze. Przyjęto metodykę tworzenia układów sterowania dla wi el ostadial
nych układów technologicznych, opartę na następujęcych założeniach szcze
gółowych.
1. Celem układu technologicznego Jest uzyskanie produktu o założonej charakterystyce (np. wilgotności).
2. Przyjmuje się, że kryterium oceny układu jest kryterium ekonomiczne (sumaryczny koszt operacji), uwzględniajęce zużycie energii, materiało
chłonność, koszty amortyzacji, obsługi itp.
3. Konfiguracja układu (struktura) wynika z charakterystyki możliwych do zastosowania operacji jednostkowych i optymalizacji liczby stadiów.
4. Rozwięzanla technologiczne i techniczne w kolejnych etapach wynika- ję z charakterystyk procesów Jednostkowych.
5. Optymalizacja układu i reallzujęca Ję struktura sterowania optyma
lizującego sę hierarchiczne. Na niższym poziomie obejmuje optymalizację (sterowanie) kolejnymi etapami (stadiami) procesu, na wyższym - całym układem.
Cele, które maję być zrealizowane na niższym i wyższym poziomie, mogę być sprzeczne, 9tęd zasadniczę wagę przywięzuje się do wskaźnika oceny procesu. Problem sterowania optymalizujęcego wlelostadialnym układem tech
nologicznym został rozwięzany praktycznie i wdrożony dla układu odwadnia
nia koncentratu miedzi w Zakładach Górniczych "Rudna” w trybie sterowania dyspozytorskiego. Obecnie wdraża się tryb sterowania mikroprocesorowego.
Zastosowano sterownik mikroprocesorowy PSP Z-80, oprogramowany według al
gorytmu sterowania zweryfikowanego w trybie dyspozytorskim.
Układ odwadniania składa się z trzech kolejnych etapów: zagęszczania grawitacyjnego, filtracji próżniowej 1 suszenia termicznego. Kolejne eta
py eę opisane modelami matematycznymi, których postacie były wyznaczone teoretycznie na podstawie zależności fizycznych, natomiast współczynniki zostały określone eksperymentalnie w zakładzie przeróbczym.
Funkcję celu układu Jest wyprodukowanie koncentratu miedziowego o za
wartości wilgoci, nie większej niż 7%. Kryterium oceny jest minimalizacja zużycia energii (przy czym ok. 90% energii jest zużywane na suszenie tei—
m i c z n e ).
Najbardziej energochłonny, w trójstopniowym układzie odwadniania, Jest proces suszenia. W y ka za no natomiast, że największy wpływ na wielkość su-
Problemy sterowania. 307
merycznego zużycia energii ma przebieg procesu filtracji.
Oeżell placek filtracyjny ma wilgotność wyższę od możliwej do uzyska
nia, zużycie energii w procesie suszenia tegoż placka gwałtownie rośnie.
Oednocześnle filtracja charakteryzuje się najprostszym sposobem regulowa
nia jakości produktu (regulacja za pomocę zmiany częstotliwości obrotów tarczy filtra, wielkości podciśnienia, natężenia przepływu nadawy).
W zwlęzku z tym, dla rozwięzania problemu sterowania optymalizujęcego najwaźniejszę rolę maję ograniczenia technologiczne i techniczne dla ko
lejnych operacji poprzedzajęcych suszenie i ich produktów. Przykładowo:
zagęszczenie wylewu zagęszczacza Jest ograniczone od góry przez właściwo
ści re ol o g i c z n e , umożliwiające płynięcie (możliwość odprowadzenia wylewu), wilgotność placka filtracyjnego Jest ograniczona do wilgotności zapewnia- jęcej jego spoistość.
Na rysunku 1 przedstawiono schematycznie zależność Jednostkowego zuży
cia energii w kolejnych etapach odwadniania od koncentracji fazy stałej w nadawie 0.
W pierwszym etapie sterowania optymalizujęcego (sterowaniu dyspozytorskim) przewidziano utrzymywanie wartości odchyleń standardowych wielkości wyjś
ciowych w określonych granicach. Al gorytm sterowania dyspozytorskiego przedstawiono na rysunku 2.
Ry3. 1. Zużycie energii Fig. 1. Energy consumption
W części głównej algorytmu przewidziana Jest kontrola wartości wi el
kości wyjściowych. Przekroczenie wartości zadanej któregoś z parametrów powoduje przejście do algorytmu szczegółowego dla danej operacji. Nato
miast brak możliwości oddziaływania wewnętrz algorytmu szczegółowego po
woduje podjęcie działania w poprzednim algorytmie szczegółowym. W algo
rytmie sterowania wykorzystano modele o postaciach określonych teoretycz
nie i współczynnikach określonych doświadczalnie w ZG Rudna.
K. S z t a b a , B. Tora
C = -0,003 C., + 0,002 Cx,v + 3,75 w N N w
m = 1,35 ^ - 101,46 * 0,0007 i - ♦ 1.2 V t
WN - K
In V gaz = 0,04 In V ♦ 1,9 ln 1 - w N- + 9,01
g d z i e :
Cw , CN - koncentracja części stałych w nadawie i wylewie zagęszczacza ( b z w ) ,
m - funkcja wilgotności placka filtracyjnego m 1 w - wilgotność,
P
( b z w );
- podciśnienie w filtrze (kPa) , V - wydatek placka (m^h- *),
W N . W K - wilgotność nadawy i koncentratu z suszarki '’bzw).
, ZBIERANIE ,
INFORMACJI P 1
CIĄG GtlMNY FDNTROIA WARTOŚCI WIELKŚ3 WYJŚĆ
ALGORYTM SZCZEGÓtDWi-—
DLA pGSSZCZANL I--
L-i
ALGORYTM TZCZEGOLCWY
DLA FILTRACJI
ALGORYTM -^ZCZEGOtOWY
DLA SUSZENIA
ZACl CZA Ni E
1ESZ-
W£ FILTRACJA
±
SUSZENIE
Rys. 2. Algorytm sterowania Fig. 2. Control algorithm
Sterowanie automatyczne oddziałem odwadniania jest realizowane za po- mocę dwóch mikrokomputerów. Jeden pełni funkcję nadrzędnę - sterowanie lo
kalne kolejnymi operacjami i sterowanie sekwencyjne całym oddziałem. Za
daniem drugiego jest rejestracja parametrów technologicznych oraz archiwi
zacja danych. Sterowanie lokalne wykorzystuje dane pochodzące z istnieją
cych układów k o nt ro ln o- re gu la cyj ne go, stabilizacji temperatury, poziomu, ciśnienia i wydajności.
Przedstawiony układ sterowania został wd rożony w Zakładach Górniczych Rudna w 1988 r. i przyniósł efekty ekonomiczne z tytułu zmniejszenia zu
życia gazu w wysokości 120 min zł.
Układ sterowania może być łatwo adaptowany dla innych zakładów w z b o g a cania rud. Obecnie trwają odnośne prace adaptacyjne dla warunków ZG "Lu
bin" oraz Zakładu Wzbogacania Rud Cynkowo-Ołowiowych "Olkusz".
Problemy sterowania... 309
LITERATURA
|jf] Męczka W., Sztaba K. , Trybalski K. , Tumidajski T. : Identyfikacja i sterowanie procesami technologicznymi w zakładach przeróbi rud. M a t e riały Sesji Naukowej z okazji XL-lecia Politechniki Ślęsklej , Gliwice 1990.
£2] Sztaba K. , Tora B. ¡ Problem optymalizacji wielostadialnych ukłsdów od
wadniania produktów drobno uziarnionych. Materiały VIII Gliwkickiego Sympozjum Teorii i Praktyki Procesów Przeróbczych. Gliwice 1989.
£3] Tora B. : Model matematyczny i próba optymalizacji wielostadialnego układu odwadniania koncentratu miedziowego. Rozprawa doktorska. AGH, Kraków 1984.
[4] Badania nad poprawę efektywności zagęszczania, filtracji i suszenia przy prowadzeniu zamkniętego obiegu wodnego. Sprawozdanie z prac ba
dawczych 1980-85, Biblioteka IPiWSM AGH.
npoEJiEMii onnM H 3ypyiH E ro ynPA&nEHHH MHOrOCTAAHAJIbHilX TEiHOJIOrHHECKHX CXEU
P e 3 ¡0 m e
13 ^om iafle npe^cTaB.teH u npHHpnnbi ynpaBJieHHH oT^eJioM MHorocTa^na.tbHoro o6e3Bo*itBaHHH ueAHoro K om teH Tpaia c HcnoJib3OBaHtieu MHKpoKOMnioTepa. CaoTeMa ynpaBJieHHH «BJiaeToa aepapxaH ecK oft, Ha h h cm i hm ypoBHe peaJiH3yaeToa ynpaB Jie- HHe oTttejiBHHMit onepauHHMH JioKaJiBHoe ynpaBJieHae , Ha BucmstM - ynpaBJieHae
n e jiim ox^e^oM.
MaKpoKOMnioTep H ccnoab3yeT ca Tosce A4H p e ra c T p a ita a a apxaBH 3auaa TexHOJiora- aecKHX napaiieTpoB .
OnacaHHiift cnocoO ynpaBJieHHH onTHMH3ypy»mero BHe^peHO Ha Me^Hoii odoroTH- TejibHoli (jjadpaKe. 3i|xj>eKTOM BHeApeHHH h b j i h s t c h cHHxeHHe odmero ynoipeOJieHHH aHepraa Ha ok. 10%.
THE PROBLEMS OF OPTIMIZING CONTROL OF MULTI-STAGE TECHNOLOGICAL SYSTEMS
S u m m a r y
The paper presents the principles of controling the department of mul
ti-stage dewatering of copper concentrate by means of a microcomputer.
The control system is hierarchical. Its lower level contains the control of unitary operations (local control) while the higher one contains the control of the entire department.
The microcomputer also records and stores technological parameters. The described way of optimizing control has been implemented in the Copper Ore Enrichment Plant. The implementation resulted in the decrease of to
tal energy consumption by 10%.
