Исследование и разработка системы автоматического управления измельчением золотоносных руд в шаровой барабанной мельнице

На правах рукописи

 

 

Леттиев Олег Анатольевич

 

 

 

Исследование  и разработка системы автоматического  управления измельчением золотоносных руд в шаровой барабанной мельнице

 

 

05.13.06 Автоматизация  и управление технологическими  процессами 

и производствами (промышленность)

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

 

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических  наук

 

 
 
 

 
Москва 2012

Работа выполнена  в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Автоматика и управление в технических системах» (АТ МГГУ)

 

 

Научный руководитель:

доктор технических  наук, профессор Костиков Владимир Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических  наук Черняк Зиновий Александрович, технический директор ЗАО «ПРОМТЕХ», г.Москва

кандидат технических  наук Хромой Михаил Рувимович, доцент кафедры «Горные машины и оборудование» Московского государственного горного университета

 

Ведущая организация:

Открытое Акционерное  Общество «Рудоавтоматика», г.Железногорск

 

Защита диссертации  состоится «30» октября  2012 года в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.128.07 при Московском государственном горном университете по адресу:

119991, г.Москва, Ленинский  проспект, д.6.

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

 

Автореферат диссертации  разослан «28» сентября 2012 г.

 

Ученый секретарь

диссертационного  совета

доктор технических  наук, профессор Гончаренко С.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

 

Актуальность  темы исследования.

Процессы дробления и измельчения в технологии извлечения золота из руд являются наиболее энергоемкими процессами, затраты на эти процессы составляют 30-50 % себестоимости горно-обогатительного передела. От качества измельчения напрямую зависит производительность всех последующих стадий обработки материала, и в конечном итоге эффективность работы фабрики в целом.

Современный уровень  развития математического аппарата позволяет расширить представления о сущности процессов измельчения, строить более совершенные математические модели мельничного агрегата как объекта управления. Эти модели позволяют решать технологические задачи измельчения при стабилизации массового расхода пульпы заданного класса крупности без повышения энергопотребления.

Существующие  системы автоматического управления процессом измельчения позволяют решать только одну из задач: либо стабилизации массового расхода золотосодержащей пульпы требуемой фракции крупности, либо снижения энергозатратности работы измельчающего агрегата. Поэтому задача комплексной автоматизации процесса измельчения с целью стабилизации готового продукта и снижения энергопотребления является актуальной.

 

Цель работы.

Цель работы состоит в разработке системы автоматического управления процессом измельчения золотоносных руд в шаровой барабанной мельнице, позволяющей повысить эффективность производства и качества дисперсных материалов в процессе рудоподготовки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель процесса разрушения рудного тела в шаровой барабанной мельнице.
2. Разработать математическую модель формирования массопотока требуемой фракции крупности в шаровой барабанной мельнице.
3. Разработать систему автоматического управления параметрами процесса измельчения, обеспечивающую устойчивую работу шаровой барабанной мельницы с заданными технологическими параметрами.
4. Разработать алгоритм управления частотой вращения барабана мельницы для поддержания требуемого режима измельчения.

Идея  работы заключается в создании многоконтурной системы автоматического управления процессом измельчения золотоносных руд в шаровой барабанной мельнице, в которой при помощи разработанной математической модели процесса идентифицируется текущий параметр качества руды.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанная математическая модель объекта управления — технологического процесса измельчения золотоносных руд в шаровой барабанной мельнице — описывает функциональное соотношение между входным массовым расходом руды и фракционным составом готового продукта мельницы.
2. Разработанный алгоритм автоматической идентификации коэффициента диффузии измельчаемого материала позволяет находить в явном виде передаточную функцию объекта управления.
3. Разработанная многоконтурная система автоматического управления параметрами процесса измельчения в шаровой барабанной мельнице позволяет на основе алгоритма параметрической идентификации стабилизировать массовый расход готового продукта мельницы требуемого фракционного состава.
4. Разработанный алгоритм управления в контуре регулирования частоты вращения барабана шаровой барабанной мельницы позволяет поддерживать рациональный режим измельчения в зависимости от загрузки мельницы, что ведет к снижению энергопотребления процесса измельчения.

Научная новизна работы.

1. Предложенная математическая модель технологического процесса измельчения золотоносных руд в шаровой барабанной мельнице впервые позволяет описать функциональное соотношение между входным массовым расходом руды и фракционным составом готового продукта мельницы.
2. Алгоритм автоматической идентификации коэффициента диффузии измельчаемого материала впервые позволяет в темпе реального времени модифицировать передаточную функцию в соответствии с изменяющимися условиями.
3. Многоконтурная система автоматического управления параметрами процесса измельчения в шаровой барабанной мельнице отличается от известных комплексным решением задачи стабилизации массового расхода готового продукта требуемого класса крупности вместе с поддержанием требуемого скоростного режима барабана мельницы.
4. Разработанный алгоритм управления в контуре регулирования частоты вращения барабана шаровой мельницы отличается тем, что впервые на основании уравнения материального баланса позволяет найти степень заполнения мельницы.

Методы  исследования.

При построении математической модели процесса разрушения рудного тела использовались методы динамического деформирования и разрушения горных пород. При анализе математической модели процесса массообразования требуемой фракции крупности использовались методы теории массопереноса и диффундирования в многофазных средах. Методы решения дифференциальных уравнений. Расчеты математических моделей производились с использованием пакета прикладных программ Matlab.

Практическая  значимость.

Предложенная математическая модель и разработанная структура многоконтурной системы автоматического управления параметрами процесса измельчения, алгоритм стабилизации массового расхода готового продукта мельницы требуемого фракционного состава могут быть использованы для построения АСУТП измельчения руды, что расширяет возможности автоматизации различных шаровых барабанных мельниц в отделениях рудоподготовки обогатительных фабрик.

Реализация  результатов работы.

Результаты  диссертационной работы использованы предприятием ООО «ИЛЬДИКАНЗОЛОТО» (п.Чашино-Ильдикан, Читинская область) для построения системы автоматического управления шаровой барабанной мельницей участка рудоподготовки обогатительной фабрики. Предложенная структура системы автоматического управления и методика построения математической модели процесса измельчения золотоносных руд в шаровой барабанной мельнице используются при чтении спецкурсов в процессе подготовки специалистов по направлению 220400 – «Автоматизация и управление».

Достоверность и обоснованность научных положений  и результатов.

Достоверность обеспечена установлением адекватности математической модели, подтвержденной близостью результатов экспериментальных данных и математического моделирования; корректным применением законов и теорем механики, строгими математическими выкладками при решении дифференциальных уравнений, а также весьма малым отличием результатов математического моделирования и аналитического расчета при решении тестовых задач.

 

Апробация результатов работы.

Результаты  работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры «Автоматика и управление в технических системах» МГГУ, международных научных конференциях "Неделя горняка" (Москва, 2010 — 2012), ежегодной научно-технической конференции «Организация общекорпоративных ИТ-процессов – 2012» (г.Москва), 16-м международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (г.Алушта, 2007).

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 6 научных работах, в том числе 3 - в изданиях, предусмотренных перечнем ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 104 наименований, содержит 44 рисунка и 8 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены теоретические основы процесса измельчения руды в шаровых барабанных мельницах. Проведен литературный обзор и анализ существующих методов построения математических моделей и систем управления процессом измельчения. Научные исследования в этом направлении ведутся как в России, так и за рубежом. Значительные результаты опубликованы в трудах К.Я. Улитенко, И.В. Соколова, В.Г. Костикова, Л.Д. Певзнера, А.Дж. Линча, В.В. Кафарова, М.А. Вердияна, М.Б. Глебова, С.Ф. Смирнова, Г.С. Нестерова, Е.Е. Серго, Г.С. Ходакова, Д.Г. Весткотт, Д.Д. Пирсон.

Публикации, посвященные  автоматизации процесса измельчения в основном отражают накопленный опыт эксплуатации измельчительных агрегатов, а не их теоретическое обоснование и системный анализ процессов. Это объясняется, в том числе сложностью математического моделирования процесса измельчения, которая обусловлена случайным, практически недоступным для наблюдения характером движения и разрушения частиц в мельнице, а также значительным разбросом свойств частиц по прочности, геометрическим размерам, форме. Все это наравне с дрейфом статических характеристик ввиду изменчивости свойств руды, условий работы измельчительного агрегата, износа футеровки и т.д. приводит к тому, что система стабилизации режима измельчения на основе ПИД – регулятора, является неэффективной.

Приведено описание объекта исследований - участка рудоподготовки обогатительной фабрики Олимпиадинского месторождения ЗАО «ПОЛЮС». Учтены результаты анализа измельчаемого на данной фабрике рудного материала, сделаны выводы по применимости к данному объекту мероприятий по вводу системы автоматического управления.

В работе предложено разработать автоматизированную систему  управления процессом измельчения руды в шаровой барабанной мельнице, обладающей свойством адаптации к изменяющимся условиям протекания процесса измельчения. Использование данной системы управления позволит максимально эффективно вести процесс за счёт повышения точности стабилизации массопотока готового продукта требуемой фракции крупности.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию математической модели объекта управления — технологического процесса измельчения золотоносных руд в шаровой барабанной мельнице. Идея разработки математической модели процесса измельчения заключается в объединении описания структуры потоков мельничной загрузки и характеристики подаваемой в мельницу руды.

Задача описания характеристики подаваемой в мельницу руды решена путем представления процесса разрушения тела руды в математической форме. Данная задача остаётся актуальной и до настоящего времени строго не решена. Такая ситуация объясняется тем, что в реальных задачах обязательно присутствует неопределённость. Так, при описании физического объекта с помощью модели его параметры точно не известны, к тому же они меняются в процессе эксплуатации и поэтому их значения не могут быть доступны. В процессе рудоподготовки разрушение горных пород определяется следующими основными особенностями: неоднородным и анизотропным строением, широким диапазоном размеров тела руды, неоднородным полем напряжений в условиях сжатия. В большинстве горных пород имеют место дефекты в виде трещин, количество, размеры и направления которых определяют прочность породы. Таким образом, рассматриваемая задача является сингулярно возмущённой краевой задачей возникновения трещины с подвижной границей.

Исследованиями установлено, что разрушение рудного тела в барабане мельницы возникает за счет образования в нем трещин, которые имеют фрактальный характер. Для упрощения математического анализа процесса образования трещины, а именно распределения механических усилий и напряжений в объёме тела руды, принята следующая модель: разрушающее тело шарообразной формы оказывает механическое воздействие на плоскую поверхность тела руды. Соприкосновение двух тел происходит по площадке эллиптической формы с полуосями α и β, причём α – большая полуось, расположенная в направлении движения разрушающего тела. Размер площадки существенно меньше размеров породы, поэтому последнюю можно считать полубесконечным телом (рис.1).

Рисунок 1. Модель передачи усилий от разрушающего тела телу породы

Математический  анализ по указанной модели является весьма трудоёмким. Для упрощения расчётной модели считаем, что передача усилия от разрушающего тела телу породы происходит по поверхности абсолютно твёрдого удлинённого эллипсоида вращения (квадрика) Е с большой a и малой b полуосями. Адекватность замены обеспечивается соотношением (a / b) = (α / β). При этом для того чтобы решение задачи было в таких координатах, чтобы поверхность эллипсоида вращения была одной из координатных плоскостей, распределение усилий разрушения и механических напряжений было представлено в эллиптической системе координат (рис. 2), задаваемых сеткой из семейства эллипсов (распределение механических напряжений)

 (1)

и конфокальных с ними гипербол (распределение усилий разрушения)

 (2)

где параметры и являются координатами, а следовательно, написанные уравнения являются уравнениями координатных линий, при постоянном – эллипсы, при постоянном - гиперболы.