Информационные технологии в управлении технологическими процессами цветной металлургии


СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВ6РСИТ
SIBERIAn FEDERAL UniVERSITY




Б. М. Горенский О. В. Кирякова Л.А. Лапина С. В. Ченцов


ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В УПРАВЛЕНИИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ


Лабораторный практикум

днологии

Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет




Б.М. Горенский, О.В. Кирякова, Л.А. Лапина, С.В. Ченцов



Информационные технологии в управлении технологическими процессами цветной металлургии

Рекомендовано
Национальным исследовательским технологическим университетом «МИСиС» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Металлургия», изучающих курсы «Информационные технологии в металлургии», «Моделирование процессов и объектов в металлургии» и спецкурсы для студентов специальности 230201 «Информационные технологии». Регистрационный номеррецензии 1478 от 11.07.2011 г. МГУП






Красноярск СФУ 2012

УДК 669.2:004(07)
ББК 34.23я73
   И741

Рецензенты: Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»;
            А. Н. Ловчиков, д-р. техн. наук, проф.;
            П. М. Гофман, канд. техн. наук, доц.


И741 Информационные технологии в управлении технологическими процессами цветной металлургии: лаб. практикум / Б.М. Горен-ский, О.В. Кирякова, Л.А. Лапина, С.В. Ченцов. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. - 148 с.

ISBN 978-5-7638-2508-4

     Практикум содержит описание компьютерных тренажеров по исследованию технологических процессов в металлургии и управлению процессами, порядок работы с ними, а также сведения о базах данных в приложении Access и основных протоколах сети Интернет.
     Для студентов металлургических специальностей, изучающих курсы «Информационные технологии в металлургии», «Моделирование процессов и объектов в металлургии» и спецкурсы, для студентов специальности 230201 «Информационные системы и технологии», может быть использован в отделах технического обучения металлургических предприятий.



                                              УДК 669.2:004(07)
                                              ББК 34.23я73



ISBN 978-5-7638-2508-4

                                          © Сибирский федеральный университет, 2012

                ВВЕДЕНИЕ





    Развитие наукоемких производств и многостадийных технологических процессов, в частности в цветной металлургии, требует повышения технико-экономических показателей переработки сырья в металлургических агрегатах. Особенно остро эта задача стоит при совершенствовании производства пирометаллургических процессов переработки сульфидных руд и гидрометаллургических процессов аффинажа металлов платиновой группы. Для совершенствования производства предлагается использовать как более совершенные автоматизированные системы управления на базе вычислительной техники и математических методов описания металлургических процессов, так и повышение квалификации обслуживающего персонала.
    Сложность создания современных автоматизированных систем управления и подготовки специалистов для предприятий цветной металлургии можно объяснить тем, что технологические процессы протекают, как правило, в высокотемпературных и химически агрессивных средах, в агрегатах большой единичной мощности, слабо оснащенных системами автоматического контроля основных технологических параметров по ходу процесса, что не позволяет оперативно контролировать изменение технологических параметров.
    Кроме того, исследование технологических процессов и обучение оперативного персонала на действующих технологических агрегатах требует значительных затрат времени и капитальных средств и в случае применения недопустимых управляющих воздействий может привести к возникновению аварийных ситуаций.
    Свободными от этих недостатков являются новые информационные технологии исследования технологических процессов и обучения рабочих, построенные на базе автоматизированных информационно-советующих систем управления, реализованных на персональных ЭВМ (компьютерные тренажеры — КТ).
    Следует отметить, что тренажеры нашли широкое применение для обучения специалистов на транспорте, в авиации и военном деле. Эти тренажеры реализованы по принципу физического моделирования, имитирующего реальный технологический агрегат или систему управления. Поэтому данный принцип не может быть использован для обучения персонала металлургических цехов и тем более для исследования взаимосвязанных непрерывных технологических про 
3

цессов в цветной металлургии. Наиболее приемлемы для этих целей автоматизированные информационно-советующие системы управления, основой которых являются имитационные математические модели (ММ) исследуемых процессов, работающие в диалоговом режиме в реальном масштабе времени. Данные системы строятся на базе персональных компьютеров (ПК), у которых системный блок предназначен для хранения математической модели процесса, монитор — для отображения информации, а клавиатура — для управления процессом.
    Для современного инженера использование персональных компьютеров при моделировании и оптимизации технологических процессов является столь же необходимым, как и знание основ металлургии. Теоретическая подготовка и практические навыки в исследовании и управлении процессами — это важная составная часть общеинженерной подготовки студентов металлургических специальностей и студентов, обучающихся по специальностям «Автоматизация технологических процессов и производств», «Информационные системы и технологии».
    В данном лабораторном практикуме рассмотрены новые информационные технологии, применяемые при обучении и управле-нии, процессами аффинажа металлов платиновой группы, вскрытия сырья жидкофазным хлорированием, плавки сульфидных руд в рудно-термических печах, электролиза алюминия, спекания нефелино-известняковой шихты, конвертирования штейнов. Поскольку при создании ИТ в металлургии особое значение имеют наличие мощной базы данных эмпирического материала и использование возможностей, предоставляемых глобальными и корпоративными сетями, в лабораторный практикум включены работы, посвященные созданию баз данных различной сложности в приложении Access и изучению основных протоколов Интернет, позволяющих ориентироваться и осуществлять поиск в локальных и глобальных сетях.
    При выполнении каждой лабораторной работы студенту необходимо изучить теоретические сведения по данному технологическому процессу; ознакомиться с описанием лабораторной установки и назначением основных органов управления; получить у преподавателя индивидуальные задания на выполняемую работу, в процессе которой он должен приобрести навыки оптимального управления технологическим процессом.

4

    По каждой лабораторной работе студент оформляет индивидуальный отчет, содержание которого должно соответствовать требованиям стандарта. Во время защиты работы он отвечает на контрольные вопросы к каждой работе, анализирует ошибки, допущенные при исследовании процесса и управлении им, и результаты, полученные в ходе выполнения.

5

                ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ




    Повышение требований к управлению технологическими процессами поставило перед высшей школой проблему совершенствования подготовки кадров как в рамках вузовского, так и послевузовского образования. Особенно остро данная проблема стоит при подготовке кадров специалистов для предприятий цветной металлургии и химической промышленности. При подготовке специалистов для предприятий металлургической отрасли необходимо учитывать сложности, связанные с особенностями технологии производства цветных металлов: высокотемпературные и химически агрессивные среды, агрегаты большой единичной мощности, слабо оснащенные системами технологических параметров по ходу процесса, что не позволяет оперативно контролировать текущие изменения технологических параметров. Кроме того, обучение персонала на действующих промышленных установках требует временных и капитальных затрат и может приве -сти к появлению аварийных режимов работы и нештатных ситуаций.
    Оснащение учебных заведений и промышленных предприятий современными средствами вычислительной техники, а именно персональными компьютерами (ПК), позволило применять новые информационные технологии в подготовке студентов и специалистов промышленных предприятий. Для организации подготовки студентов и качества подготовки специалистов целесообразно использовать компьютерные тренажерные и обучающие комплексы на базе ПК.
    Компьютерные тренажеры для обучения студентов и специалистов предприятий цветной металлургии строятся на базе ПК, у которых клавиатура (мышь) используется для управления процессом, отображение информации осуществляется на экране монитора, а системный блок предназначен для хранения математической модели и исходных данных, необходимых для описания исследуемого процесса.
    На экране монитора представлено головное меню, предлагающее студенту выбрать тип изучаемого или управляемого процесса. Меню также позволяет выбрать один из возможных режимов работы компьютерного тренажера: обучения, контроля, советчика.
    В режиме обучения на экран монитора выводятся подсказки и рекомендации по управлению процессом, после окончания сеанса обучения производится анализ допущенных ошибок.

6

    В режиме контроля тренажер используется при проверке знаний студентов (защита лабораторных работ, сдача зачетов) и сдаче квалификационных экзаменов техническим персоналом металлургических предприятий при выполнении техминимума и сдаче квалификационных экзаменов на разряд. Данный режим отличается от режима обучения тем, что в процессе управления не выводятся на экран ошибки, допущенные студентом или мастером, они накапливаются в памяти компьютера и выводятся на экран после окончания сеанса обучения. По окончании сеанса обучения на экран дисплея выводится суммарная оценка, характеризующая эффективность усвоения материала по изучению процесса студентом или эффективность приобретения навыков по управлению процессом технологическим и оперативным персоналом металлургических цехов. При необходимости на экран дисплея также можно вывести ошибки, допущенные студентом (мастером) в управлении процессом.
    В режиме советчика тренажер применяется для коррекции хода реального технологического процесса в условиях действующего производства. Необходимость в такой коррекции может возникнуть как для многостадийных процессов (процесс аффинажа), так и для процессов с непрерывным технологическим режимом при отклонении основных регулируемых параметров от оптимального значения. Для осуществления такой коррекции технолог (мастер) должен с помощью компьютерного тренажера исследовать различные режимы, позволяющие исключить возникшие отклонения от технологического регламента, и выбрать такие управляющие воздействия, которые в данной производственной ситуации могут принести наибольший эффект, т.е. снова вывести процесс на заданный оптимальный режим работы. Использование компьютерных тренажеров в режиме советчика позволяет улучшить основные технико-экономические показатели технологических процессов путем выбора оптимальных режимов работы.
    Для реализации вышеперечисленных функций компьютерный тренажер должен отвечать требованиям многофункциональности, наглядности и информативности.
    Для обеспечения наглядности на экран монитора должна быть выведена мнемосхема исследуемого процесса или агрегата с имитацией основной пускорегулирующей и контрольно-измерительной аппаратуры, применяемой для управления данным процессом или агрегатом. Обозначение аппаратуры должно соответствовать обозначению, применяемому на рабочем месте.

7

    Необходимо предусмотреть сигнализацию аварийных режимов и нештатных ситуаций с выводом на экран параметров, достигших аварийных значений, с имитацией световой и звуковой сигнализации.
    Требование информативности обеспечивается тем, что на монитор выводится график изменения регулируемого параметра и значения основных входных и управляющих параметров, которые оказывают существенное влияние на эффективность функционирования объекта и контролируются автоматически.
    Многофункциональность предполагает использование тренажера для решения различных задач, предусматривает режим ускорения времени, его целесообразно применять для процессов, имеющих большую (десятки минут) постоянную времени, для непрерывных процессов и для циклических процессов, длительность цикла которых составляет несколько часов.
    Основу функционирования компьютерного тренажера составляет имитационная математическая модель исследуемого процесса и алгоритм функционирования. Имитационная модель — это формальное, т.е. выполненное на некотором формальном языке, описание логики функционирования исследуемой системы и взаимодействия отдельных ее элементов во времени, учитывающее наиболее существенные причинно-следственные связи, которые присущи системе и обеспечивают проведение машинных экспериментов.
    При разработке математического и программного обеспечения необходимо, чтобы математическая модель была адекватной исследуемому процессу, а реакция математической модели и тренажёра в целом на управляющие воздействия — идентичной реакции реального объекта на аналогичное возмущение. Математическая модель исследуемого процесса должна допускать возможность работы в диалоговом режиме и позволять вводить в нее по ходу процесса необходимые управляющие воздействия, используемые при управлении реальным процессом, а также учитывать запаздывание тренажера на управляющие воздействия, которые имеют место в реальных процессах. При расчете управляющего воздействия нужно предусмотреть возможность прогноза регулируемой величины; математическая модель, являющаяся основой функционирования тренажера, должна содержать только параметры, автоматически контролируемые на данном агрегате, быть открытой и предусматривать возможность расширения мо -дели за счет получения дополнительной информации и возможность управления в реальном масштабе времени и в ускоренном режиме.

8

   ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1





                КОМПЬЮТЕРНЫЙ ТРЕНАЖЕР
                ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВСКРЫТИЯ СЫРЬЯ ЖИДКОФАЗНЫМ ХЛОРИРОВАНИЕМ




    Цель работы: знакомство с технологией вскрытия сырья жидкофазным хлорированием, изучение влияния управляющих параметров на основные технико-экономические показатели, характеризующие процесс; приобретение навыков оптимального управления процессом хлорирования, опыт использования ЭВМ и компьютерных тренажеров для коррекции хода технологического процесса в случае отклонений значений контролируемого параметра от оптимального значения.

    ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА

    Участок хлорирования включает следующие основные переделы:
    ■ хлорирование концентратов и промпродуктов;
    ■ фильтрация растворов;
    ■ цементация золота;
    ■ хлорирование платины и палладия для черни;
    ■ отмывка нерастворимых остатков и получение кека палладия.
    Среди множества методов вскрытия платино-палладиевого сырья на аффинажных предприятиях России применяют метод жидкофазного хлорирования. Процесс хлорирования концентрата включает операции загрузки, хлорирования, фильтрации пульпы, подготовки раствора к аффинажу.
    Концентрат в виде мелкодисперсного порошка загружают в аппарат хлорирования и туда же заливают раствор соляной кислоты. Пульпа перемешивается мешалкой до однородной массы. На начальной стадии хлорирования хлор подают небольшими порциями, постоянно увеличивая расход до максимального значения.
    Процесс жидкофазного хлорирования проводят при температуре 60-70 оС. Реакция хлорирования является экзотермической, поэтому по завершении процесса хлорирования пульпу охлаждают и определяют плотность раствора. Полученный раствор выгружают на нутч-фильтры для отделения раствора от нерастворимого остатка. После завершения

9