5.4.4. Ппп анализ

Выбор оптимального варианта технологической схемы должен основываться на сравнении прогнозируемых значений показате­лей, характеризующих качество функционирования проектиру­емого объекта. К таким показателям следует отнести: себестои­мость выпускаемой продукции, возможность гарантированного выполнения производственных заданий по выпуску готовой про­дукции и, наконец, возможность гарантированного выпуска про­дукции заданного качества. Определение себестоимости выпу­скаемой продукции производится подсистемой расчета технико-экономических показателей. Получение же достоверных прогноз­ных оценок, характеризующих функциональные возможности проектируемого предприятия, основывается на его системотехни­ческом анализе.

При системотехническом анализе используют два принципа моделирования процессов. Первый принцип основан на матема­тической имитации процессов, происходящих в реальных объек­тах. Имея подобные реализации за длительные интервалы вре­мени, можно достаточно надежно судить о свойствах системы в целом. Такой метод моделирования называется имитационным моделированием. В САПР-Цемент на основе имитационного мо­делирования прогнозируется производительность технологиче­ской линии.

При моделировании завод рассматривается как сложная сис­тема агрегатов, каждый из которых подвержен воздействию боль­шого числа факторов.

Эти факторы могут быть предсказуемыми (технологический режим, плановые ремонты), а также случайными (выход из строя оборудования, переполнение емкости и т. д.). Каждое из этих событий изменяет состояние как отдельного агрегата, так и си­стемы в целом.

Описание технологической схемы для имитационного процесса сводится к перечислению стандартных блоков, каждый из кото­рых воспроизводит функционирование отдельного элемента схе­мы. Приведем описание основных блоков.

Блок ТА (технологический агрегат)

Производит имитацию включения и выключения технологи­ческого агрегата по следующим причинам: поступление команды из блока управления процессом, аварийное отключение, переход на плановый ремонт.

Блок РФ (буферная емкость) производит учет накопленного продукта и сообщает в блок управления о заполнении емкости на заданную величину.

Блок БУ1 (блок управления группой технологических агрега­тов). В зависимости от требуемой производительности и факти­ческого количества работоспособных агрегатов выдает команды на включение и выключение агрегатов.

Блок БУ2 (блок управления элементарной технологической цепочкой). В состав такой цепочки входят разгружаемая буфер­ная емкость, группа технологических агрегатов, загружаемая бу­ферная емкость. БУ2 определяет необходимую производитель­ность технологических агрегатов из условия наличия свободных емкостей и передает команды на изменение производительности в БУ1. Кроме того БУ2 сообщает о наличии незадействованных ресурсов (резервных технологических агрегатов, свободных ем­костей) в БУ2 других элементарных технологических цепочек с Целью задействования этих ресурсов.

Н а рис. 5.4 представлен типичный пример моделируемого уча­стка технологической линии цементного завода. На карьере ра­ботают три экскаватора (1, 2, 3). В случае наличия свободной емкости в бункере 4 известняк подается в бункер. Если бункер заполнен, материал подается в склад 10. Если в бункере 4 есть свободная емкость, а число работоспособных экскаваторов мало (1 или 0), то материал в бункер поступает со склада 10 и с карьера. Из бункера 4 известняк подается в технологическую цепь, состоящую из сырьевых мельниц 5, 6, печи 7 и цементных мельниц 8, 9, разделенных промежуточными емкостями 12, 13.

В результате имитационного моделирования работы схемы за достаточно большой срок (например, 20 000 часов) определяются такие показатели проектируемого завода как производительность и возможные отклонения ее от среднего значения, коэффициент использования оборудования, вероятность нахождения системы в различных технологических режимах, графики нагрузок на ис­точники энергии.

Второй принцип анализа технологических схем основан на использовании передаточных функций отдельных объектов. Если при имитационном моделировании исследуется протекание про­цессов во времени, а затем получают интегральные оценки не­обходимых критериев, то в методе передаточных функций на основе теории динамических систем рассчитываются непосредст­венно изменения интегральных характеристик технологических потоков при прохождении их через агрегаты. Передаточная фун­кция агрегата позволяет на основании характеристики потока на входе в агрегат и динамической модели агрегата определить со­ответствующие характеристики потока на выходе.

Метод передаточных функций в САПР-Цемент используется для оценки технологической схемы с точки зрения возможности стабилизации технологических режимов.

Проведение процессов в стабильных условиях является важ­нейшим фактором, влияющим на технико-экономические показатели работы предприятия. Так, например, несоответствие темпе­ратуры обжига составу обжигаемой смеси, возникающее вслед­ствие некомпенсированных колебаний состава, приводит к сни­жению активности клинкера, увеличению потерь тепла, ухудшению условий работы огнеупорной футеровки.

Источниками неоднородности сырьевой смеси являются: нео­днородность полезного ископаемого на карьере, а также некото­рые явления, возникающие в процессе технологической перера­ботки (изменение режима работы оборудования, классификация материала по крупности при хранении в штабеле, погрешности устройств дозирования).

Как было сказано ранее, динамические характеристики свойств потоков определяются случайными процессами, каждому из которых соответствуют значения дисперсии D и параметра спада корреляционной функции Т_сп. Передаточная функция аг­регата позволяет по известному набору D⁸*, Ten. потока на входе в агрегат определить аналогичные характеристики для выходного потока. Динамические свойства исходных материалов определены в ППП СЫРЬЁ по данным геологической разведки. Проходя по всем агрегатам, составляющим технологическую цепочку, опре­деляют неоднородность готового продукта, характеризуемую дис­персией 1).

При описании схемы приготовления сырьевой смеси исполь­зуются математические модели процессов дозирования, смешива­ния, транспортировки и усреднения. При математическом описа­нии процессов усреднения тонкодисперсного продукта в шлам-бассейнах и гомогенизационных силосах параметрами моделей являются длительность заполнения емкостей и коэффициенты, учитывающие неидеальность реальных смесительных систем. При моделировании процессов предварительного усреднения ма­териалов в усреднительных складах наряду с длительностью за­полнения штабелей учитывается число слоев материала, одно­временно пересекаемых разгружающим механизмом.

Особенность математического описания сырьевых переделов состоит в необходимости учета эффектов совместного функцио­нирования смесительно-усреднительного оборудования и АСУ ТП приготовления сырьевой смеси, осуществляющей текущую кор­ректировку массовых расходов смешиваемых материалов. Основ­ным параметром модели системы управления является эквива­лентное запаздывание в контуре управления, включающее время прохождения материала от дозировочного блока до точки конт­роля химического состава смеси, время отбора и анализа пробы, а также время, необходимое для выработки корректирующих уп­равляющих воздействий.

В качестве примера применения рассмотренной схемы расче­тов можно привести многоальтернативный анализ схем автоматизированного технологического комплекса (АТК) сырьевого пе­редела Невьянского цементного завода. По результатам данной работы, выполненной в тесном взаимодействии специалистов по технологии, проектированию и автоматизированному управлению технологическими процессами, было сделано следующее заклю­чение.

1. Базовая технологическая схема, включающая в себя пред­варительное усреднение известняка, непрерывный анализ хими­ческого состава смеси и непрерывную гомогенизацию в усреднительной емкости объемом 1500 т, в реальных условиях неидеальной гомогенизации и недостаточно надежной работы усреднительных складов не обеспечит приготовление кондиционной сырьевой смеси.

2. Для обеспечения требуемого качества сырьевой смеси при минимальных затратах на ее производство необходимо усовер­шенствовать основной вариант АТК за счет следующих мероп­риятий:

исключения из проекта усреднительного склада известняка как весьма дорогостоящего и, как показали расчеты, относитель­но малоэффективного для Невьянского цементного завода агре­гата;

организации весового дозирования всех четырех смешиваемых материалов известняка, глины, песка и огарков;

обеспечения высокой надежности системы непрерывного ана­лиза химического состава путем дублирования всех необходимых устройств;

увеличения объема усреднительной емкости до величины 2200 т при использовании непрерывного анализатора и до величины 6600 т при использовании дискретного анализатора химического состава.

В настоящее время подобные автоматизированные расчеты проводятся на ранних стадиях проектирования АТК сырьевых переделов практически всех вновь строящихся или реконструи­руемых цементных заводов.

Выше были рассмотрены два принципиально разных подхода к автоматизированному анализу функционирования технологиче­ских схем и АТК. Первый из них основывается на имитационном моделировании технологических процессов. Цифровая модель процесса в ускоренном масштабе времени имитирует поведение динамической системы при длительном действии на нее случай­ных возмущений, обусловленных вариациями свойств сырья, погрешностями дозирования и т. д. Случайные возмущения моделируются специальной программой, использующей датчик случайных чисел, выход которого подключается к соответствую­щим имитационным моделям взаимосвязанных технологических звеньев. Поведение всех интересующих проектировщика переменных фиксируется в виде графиков, которые с помощью ЭВМ выводятся на экран дисплея и печатающее устройство. Стати­стическая обработка полученных зависимостей, которую также производит вычислительная машина, позволяет определить сред­ние значения и дисперсии выходных и промежуточных перемен­ных.

Второй метод базируется на аналитических соотношениях те­ории многомерных динамических систем. Для его реализации разрабатывается библиотека программ, осуществляющих расчет оптимального статического режима моделируемого процесса, ли­неаризацию нелинейной в общем случае динамической системы в окрестностях оптимального режима и анализ полученной ли­неаризованной системы методами теории линейных систем, под­верженных действию случайных возмущений.

Практика расчетов показала, что каждый из двух подходов имеет определенные достоинства и недостатки. Аналитические расчеты требуют существенно меньших затрат времени работы ЭВМ и потому незаменимы при сравнительном анализе боль­шого числа вариантов. В то же время они дают более грубые оценки, т. к. основываются на линейном приближении уравнений технологических процессов.

Имитационное моделирование сопряжено с существенно боль­шими затратами машинного времени, но позволяет получить более точные и наглядные оценки интересующих проектиров­щика показателей. По-видимому, наиболее рациональна ком­бинированная методика. На первом этапе расчетов, когда сравниваются многочисленные альтернативные варианты техно­логических схем, оборудования и структур автоматизации, ис­пользуются приближенные аналитические оценки. На втором этапе расчетов для одного или нескольких отобранных вариан­тов проводится более детальное исследование на имитационной модели.