авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Автоматизация технологического процесса вспучивания керамзита во вращающейся печи

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Фадеев Александр Сергеевич

Автоматизация ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

вспучивания керамзита во вращающейся печи

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2011

Работа выполнена на кафедре «Механизация, автоматизация и энергоснабжение строительства» ФГБОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор Галицков Станислав Яковлевич
Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Лившиц Михаил Юрьевич
- кандидат технических наук, доцент Макаров Сергей Владиславович

Ведущая организация: ФГБОУВПО «Московский государственный

строительный университет», Национальный исследовательский университет, г. Москва

Защита состоится " 27 "  декабря  2011 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 ФГБОУВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: Россия, г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корпус 6, аудитория 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, г.Самара, ул. Первомайская, 18.

Отзывы на автореферат просим высылать (в 2-х экземплярах) по адресу: 443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.03.

Автореферат разослан " " ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.03 Губанов Н.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время керамзит широко применяется при строительстве зданий и сооружений, что повышает их энергоэффективность, т.к. использование керамзита как наполнителя приводит к снижению потерь тепла в окружающую среду и уменьшает вес строительных конструкций. Кроме того, керамзит в последнее время применяется и в других областях строительного производства, в частности – при строительстве автодорог, что повышает их долговечность и снижает стоимость, особенно в том случае, если в месте проведения строительства отсутствует добыча каменных наполнителей.

Одновременно с возрастанием спроса на керамзит предприятиями стройиндустрии повышаются требования к его производству. Во-первых, необходимо значительное расширение диапазона его насыпной плотности, что обусловлено расширением области практического применения керамзита. Во-вторых, необходимо решение задачи по снижению энергозатрат на производство удельного объема керамзита.

Основная масса керамзита (более 65%) производится во вращающихся однобарабанных печах, где главным технологическим процессом (и самым энергоемким) является обжиг и вспучивание гранул сырца в температурном поле печи. Вращающаяся печь является сложным агрегатом, представляющим собой одновременно физико-химический реактор и топочную камеру.

Отечественное и зарубежное оборудование производства керамзита оснащается современными средствами и устройствами автоматики. Они предназначены, прежде всего, для мониторинга, удаленного управления, контроля действий оператора, информирования о внештатных ситуациях, архивирования данных производственного процесса, контроля технического состояния вращающихся печей.

Устройства же автоматического управления технологическим процессом вспучивания керамзита не получили до настоящего времени должного развития, поэтому управление обжигом во вращающихся печах ведется, в основном, оператором, что в ряде случаев приводит к сбоям технологического процесса, появлению брака (в виде керамзита не той марки), экономическим потерям предприятия. В известных работах по автоматическому управлению производства керамзита недостаточно разработаны вопросы математического описания этого технологического процесса как объекта управления и, как следствие, не решены вопросы синтеза простых для практической реализации структур систем автоматического управления вспучиванием. Решению этих вопросов посвящена настоящая работа.

Диссертация выполнена в соответствии с тематическим планом госбюджетных научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» «Структурный синтез систем автоматического управления технологическим процессом производства ячеистого бетона» (№ 01201052568 госрегистрации от 01.01.2010г.), по направлению «Автоматизированные системы в строительстве» (№ 01970005686 Госрегистрации от 23.05.2007г.).

Цель диссертационной работы создание системы автоматического управления технологическим процессом вспучивания керамзит а во вращающейся печи для стабилизации требуемого значения насыпной плотности и снижения энергозатрат на производство керамзита.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

- математическое моделирование технологического процесса вспучивания керамзита во вращающейся печи как объекта управления с распределенными параметрами, создание на ее основе модели многомерного объекта с сосредоточенными параметрами, ориентированной на синтез системы с двумя управляющими воздействиями (объемная тепловая мощность Qп горелки и величина загрузки qз печи) и контролем температуры керамзита в двух сечениях печи, характеризующих процесс вспучивания

- структурный синтез цифровой системы автоматического управления насыпной плотностью керамзита при его обжиге во вращающейся печи и параметрическая оптимизация ее регуляторов;

- проведение экспериментальных исследований теплового поля во вращающейся печи;

- разработка инженерной методики проектирования системы стабилизации насыпной плотности керамзита и выполнение на ее основе варианта технической реализации системы.

Методы исследования. В работе при проведении исследований и решении задач использовались методы математической физики, теплопередачи, теории автоматического управления, методы идентификации и аппроксимации моделей объектов управления. При проведении вычислительных экспериментов на ЭВМ в работе использованы программные среды SolidWorks, MatLab, MatCad.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

- Математическая модель технологического процесса вспучивания керамзита во вращающейся печи как многомерного объекта управления с распределенными параметрами, которая по сравнению с известными проблемно ориентирована на создание двумерной системы автоматического согласованного управления объемной тепловой мощностью горелки и величиной загрузки печи, что позволяет обеспечить стабилизацию производства керамзита с требуемым значением насыпной плотности.

- Структура системы автоматического управления насыпной плотностью керамзита, которая отличается от известных тем, что в ней с целью обеспечения выпуска керамзита с заданной величиной насыпной плотности и снижения энергозатрат осуществляется согласованное управление горелкой и загрузкой печи.

- Алгоритм согласованного управления двумерной автоматической стстемой вспучивания керамзита, которая позволяет обеспечить его производство с заданной насыпной плотностью с наименьшими энергозатратами в условиях технологических ограничений на вспучивание керамзита.

Практическая значимость работы состоит:

- в разработанной методике инженерного проектирования системы автоматического управления насыпной плотностью керамзита во вращающейся печи;

- в разработке вычислительной модели объекта управления и методики постановки вычислительных экспериментов;

- в разработке вычислительной модели системы автоматического управления.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, связанные с автоматизацией технологического процесса вспучивания керамзита во вращающаяся печи используются в практике инженерного проектирования в ООО «Керамуз», в Самарском архитектурно-строительном университете при подготовке инженеров по специальности «Механизация и автоматизация строительства» и магистров по программе подготовки «Комплексная механизация строительства».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены в виде статей, докладов и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах: в Вестнике СамГТУ, серия «Технические науки», №2 (30) СамГТУ (Самара, 2011); на Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2009» (Бишкек, КГУСТА, 2009); на Международной научно-технической конференции «Стройкомплекс-2010» (Ижевск, ИжГТУ, 2010); на Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2011» (Могилев, БРУ, 2011); на Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, СамГТУ, 2007, 2008, 2009, 2010); на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (Самара, СГАСУ, 2007, 2009); на Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» (Самара, СГАСУ, 2010); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ, 2006); на Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2008» (Новочеркасск, ЮРГТУ, 2009); на межвузовской студенческой научно-технической конференции «Студенческая наука. Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (Самара, СГАСУ, 2006, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе одна работа в рецензируемом издании, определенном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 105 наименований и четырех приложений. Основной текст работы изложен на 137 страницах, диссертация содержит: 71 рисунок, 20 таблиц, приложения на 13 страницах, библиографический список на 11 страницах.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Математическая модель технологического процесса вспучивания керамзита во вращающейся печи как многомерного объекта управления с распределенными параметрами.
  2. Структура системы автоматического управления насыпной плотностью керамзита.
  3. Вычислительные и натурные эксперименты по исследованию динамики объекта и системы автоматического управления вспучиванием керамзита.
  4. Алгоритм согласованного управления двумерной автоматической системой управления вспучивания керамзита во вращающейся печи.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель работы, отражены основные положения, выносимые на защиту, показаны их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрены особенности технологического процесса вспучивания керамзита. Рассмотрены виды сырья и конструкции печей, применяемых при производстве керамзита. Выявлена связь параметров температурного поля вращающейся печи с насыпной плотностью керамзита.

В технологию промышленного производства керамзита значительный вклад внесли отечественные исследователи С.П. Онацкий, В.В. Перегудов, Е.И. Ходоров, ученые Самарской научной школы Б.Д. Комисаренко, В.М. Горин, С.А. Токарева, М.К. Кабанова, А.Г. Чикноворьян, С.А. Мизюряев, а также зарубежные исследователи: R. Gronman, P. Gorman и др.

Анализ известных публикаций по технологии обжига керамзита позволил сделать вывод, что для обеспечения выпуска керамзита с заданным значением насыпной плотности необходимо управлять параметрами процесса вспучивания, которые определяются из кривой обжига керамзита (рис.1) (эту кривую а зоне вспучивания можно с достаточной для инженерных расчетов точностью линейно аппроксимировать ломаной АBCD): температура ТС в середине зоны вспучивания, температура ТА в точке А перегиба кривой обжига, температура ТВ в точке В окончания зоны нагрева и скорость нарастания температуры dT/d в конце зоны нагрева. Показано, что для управления этими параметрами необходимо использовать два управляющих воздействия: объемную тепловую мощность горелки Qп и величину загрузки qз печи сырцом керамзита. Сделан вывод о необходимости совместного управления этими параметрами.

Проведен анализ публикаций состояния средств автоматизации вращающейся печей. Результаты анализа показали, что отечественное и зарубежное оборудование производства керамзита оснащается современными средствами и устройствами автоматики, которые предназначены, прежде всего, для решения следующих задач: мониторинга работы оборудования, удаленного управления, контроля действий оператора, информирования о внештатных ситуациях, архивирования данных производственного процесса, контроля технического состояния вращающихся печей. Устройства же автоматического управления основным технологическим процессом – вспучиванием керамзита, стабилизации температуры в зоне вспучивания; стабилизации насыпной плотности керамзита, путем стабилизации температуры в зоне вспучивания, не получили до настоящего времени должного развития.

Сформулированы основные задачи автоматизации технологического процесса вспучивания керамзита во вращающейся печи, ориентированной на создание цифровой системы автоматического управления, позволяющей автоматически стабилизировать требуемое значение насыпной плотности керамзита и снизить энергозатраты на производство при его обжиге путем автоматического управления вспучиванием.

Вторая глава посвящена математическому описанию технологического процесса вспучивания керамзита во вращающейся печи как объекта управления.

Обжиг керамзита во вращающейся печи – это процесс преобразования сырца (ранулы глины) в конечный продукт (керамзит) в температурном поле печи, характеристики которого изменяются кка под влиянием управляющих, так и возмущающих воздействий. Этот процесс в явном виде зависит от пространственной координаты z движущегося в печи керамзита, поэтому он представляет собой объект управления с распределенными параметрами.

Рисунок 1 – Кривая обжига керамзита

В первой главе установлено, что насыпная плотность керамзита определяется, в основном, технологическим процессом вспучивания. Поэтому под объектом управления понимается совокупность тепловых и физико-химических процессов во вращающейся печи при вспучивании керамзита.

Температурное поле в печи зависит от управляющих воздействий: режима работы горелки и вариации степени загрузки печи и определяют насыпную плотность керамзита.

Возмущения, действующие на объект управления, можно условно разделить на две группы. Первая группа – это возмущения, действующие на горелку (температуры воздуха, подаваемого в горелку) Вторая группа – это вариация параметров состава сырца и его влажности, изменение темпа загрузки материала в печь, нестабильность атмосферы среды, окружающей печь.

Процесс вспучивания представляет собой одну из зон всего обжига керамзита. Поэтому его математическое моделирование как объекта управления проводилось в два этапа. На первом разработана математическая модель всего процесса обжига, включающего в себя зоны сушки, нагрева, вспучивания, охлаждения (рис.1), как объекта с распределенными параметрами с двумя управляющими воздействиями (Qп и qз), возмущением w и одной выходной координатой – температурой керамзита Т(z,), распределенной по всей длине печи. На втором этапе рассматривается динамика вспучивания как отклонения от установившегося состояния температурного поля печи в двух точках (ТА и ТС) под действием приращений управлений (Qп и qз) и возмущения w. По анализу этих динамических процессов осуществляется идентификация объекта управления, ориентированного на синтез двумерной САУ вспучиванием керамзита.

Исследование объектов и систем управления с распределенными параметрами посвящены работы А.Г. Бутковского, Э.Я. Рапопорта, Б.Н. Девятова,
Н.Д. Демиденко, В.А. Маковского, М.Ю. Лившица, А.И. Данилушкина, В.Н. Митрошина и др. авторов. Тем не менее, в известных публикациях не рассмотрена модель технологического процесса вспучивания как объекта управления.

При моделировании исследуемого объекта управления были введены допущения:

1. Принято, что в горелке используется газообразное топливо, состав и температура которого неизменны. Геометрические параметры факела (длина и форма) настраивают перед началом работы и затем они не меняются.

2. Известно, что при движении дымовых газов вдоль оси печи к ним добавляются газы, выделяемые из сырца при его тепловой обработке. Как показывает практика, эти факторы меняют величину скорости дымовых газов не более чем на 5…10%. Поэтому допускаем, что скорость движения дымовых газов в осевом направлении постоянна на всей длине печи. Поток дымовых газов принимаем ламинарным, пренебрегаем движением газов в направлении перпендикулярном оси печи.

3. Принимаем, что, минералогический состав глины остается постоянным, что возможно при использовании сырья из одного карьера.

4. Принимая во внимание, что при вращении корпуса печи материал перекатывается по внутренней поверхности футеровки, допускаем, что сырец керамзита равномерно распределен по всей поверхности печи, а его температура и температура дымовых газов в сечении z (рис.1) постоянны.

Разработана расчетная схема печи (рис.2) в виде цилиндра длиной L с трехслойной стенкой: корпус, футеровка, материал. Внутри цилиндра движутся дымовые газы со скоростью Vдг, материал перемещается навстречу газам со скоростью Vм. Введена в рассмотрение цилиндрическая система координат, ось OZ которой совпадает с осью цилиндра, точка О расположена на холодном торце печи. Температуру печи в сечении z на расстоянии r от оси OZ в момент времени обозначим T(z,r,).

Математическую модель объекта управления представим совокупностью уравнений горелки, температурного поля печи и реакций физико-химических процессов, происходящих в материале при его обжиге.

Принимая во внимание, что переходные процессы во вращающейся печи заканчиваются за время 30 – 60 минут, а переходные процессы, протекающие в горелке, заканчиваются за время не более минуты, допускаем, что горелка является безинерционным звеном с коэффициентом передачи

, (1)

где Qн – теплотворность топлива, VП – внутренний объем топочного пространства печи, Qг – расход газа, QП – объемная тепловая мощность горелки.

Рисунок 2 – Расчетная схема вращающейся печи



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.