Автоматизация технологического комплекса второй стадии мокрой магнитной сепарации на обогатительной фабрике ОАО

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении курсового проекта была проведена автоматизация управления технологическим комплексом второй стадии мокрой магнитной сепарации на обогатительной фабрике ОАО «ЕВРАЗ ВГОК». В качестве исходных данных были использованы количественно-качественная схема комплекса и схема цепи аппаратов.
Для определения возможных каналов управления объект был представлен в виде совокупности управляемых параметров и входных управляющих и возмущающих воздействий. В результате выбраны управляющие параметры, имеющие наибольшее влияние на основной управляемый параметр комплекса ММС – содержаниежелеза в концентрате.
Далее были проанализированы аналогичные системы контроля и управления технологическим комплексом ММС на отечественных и зарубежных фабриках, а также проведен библиографический и п ...

СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 УПРАВЛЯЕМЫЙ ОБЪЕКТ 5
1.1 Описаниетехнологического комплекса 5
1.2 Характеристика технологического комплекса как управляемого объекта 10
1.3 Обоснование необходимости и эффективности автоматизации комплекса 12
1.4 Анализ статических и динамических свойств отдельных элементов и комплекса в целом 13
2 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ И ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР ПО АВТОМАТИЧЕСКОМУ КОНТРОЛЮ И УПРАВЛЕНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ 16
2.1 Характеристика работы аналогичных систем контроля и управления технологическим комплексом на отечественных и зарубежных горно-обогатительных производствах 16
2.2 Сравнительный анализ методов и средств автоматического контроля и управления на отечественных и зарубежных горно-обогатительных производствах 21
3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА 23
3.1 Структурная идентификация комплекса 23
3.2 Параметрическая идентификация комплекса 24
3.3 Исследование статических и динамических свойств комплекса на модели 31
3.4 Выбор канала управления 35
4 АВТОМАТИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА 38
4.1 Выбор структуры управления технологическим комплексом 38
4.2 Выбор принципов контроля и управления комплексом 40
4.3 Аппаратная реализация систем автоматизации комплекса ММС 41
5 СИНТЕЗ ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ 50
5.2 Выбор регулятора и расчет настроек 53
5.3 Выбор исполнительных элементов системы 61
5.4 Расчет надежности системы 63
5.5 Моделирование системы автоматического регулирования 65
5.6 Разработка документов на щит 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 70
ПРИЛОЖЕНИЕ А. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ММС 72
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ММС 73
ПРИЛОЖЕНИЕ В. ЗАКАЗНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ 74
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ЧЕРТЕЖ ОБЩЕГО ВИДА ЩИТА 75
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. СПЕЦИФИКАЦИЯ НА ЩИТ 76

ВВЕДЕНИЕ

Мокрая магнитная сепарация является основным процессом обогащения измельченныхмагнетитовых руд всех типов.На крупнейших железорудных предприятиях исходная руда, в зависимости от вещественного состава и крупности дробления, перерабатывается по технологии стадиального измельчения и мокрой магнитной сепарации.
Повышение эффективности обогащения исходного сырья, снижения материальных затрат на переработку, повышения экологической безопасности горно-обогатительного производства требует создания и использования современных систем автоматического регулирования. Внедрение таких систем является одним из этапов совершенствования производственных процессов.Автоматизация технологического комплекса мокрой магнитной сепарации заключается в выборе структуры системы управления, а также необходим ых систем автоматического контроля и регулирования и технических средств контроля и автоматизации.
Автоматизация производственных процессов (в том числе и процесса мокрой магнитной сепарации)может привести к увеличению выпуска, снижению себестоимости и улучшению качества продукции, уменьшению численности обслуживающего персонала, повышает надёжность и долговечность технологического оборудования, даёт экономию материалов, улучшаются условия труда и техника безопасности.

По каналу «ΔН – ΔQυFe»:.По каналу «ΔWс – ΔQβFe»:.По каналу «ΔWс – ΔQυFe»:.По каналу «ΔWс – ΔQβж»:.По каналу «ΔWс – ΔQυж»:.Результаты параметрической идентификации технологического комплекса 2-й стадии ММС для наглядности сведены в таблицу 3.Таблица 3 – Результаты параметрической идентификации технологического комплекса 2-й стадии ММС№ звенаКанал связиВид передаточной функцииДинамические параметрыkТ, сτ, сМагнитный сепаратор1«ΔQс – ΔQβ»1,0792522«ΔQс – ΔQυ»0,692523«ΔQcт – ΔQβт»3,8992524«ΔQcт – ΔQυт»0,1592525«ΔQcт – ΔQβFe»0,2592526«ΔQcт – ΔQυFe»0,00292527«ΔQcFe – ΔQβFe»3,6892528«ΔQcFe – ΔQυFe»0,1292529«ΔQc-0,071 – ΔQβFe»0,18925210«ΔQc-0,071 – ΔQυFe»0,006925211«ΔQc-0,071 – ΔQβ-0,071»2,76925212«ΔQc-0,071 – ΔQυ-0,071»0,06925213«ΔН – ΔQβFe»0,11925214«ΔН – ΔQυFe»0,0037925215«ΔWс – ΔQβFe»0,06925216«ΔWс – ΔQυFe»0,0021925217«ΔWс – ΔQβж»0,62925218«ΔWс – ΔQυж»0,1592523.3 Исследование статических и динамических свойств комплекса на моделиИсследование статических и динамических закономерностей технологического комплекса второй стадии ММС на модели по основным каналам управляющих воздействий производится с помощью специализированного приложения для визуального моделирования Simulink, входящего в программу Matlab R2215b. На рисунках 10 – 15 представлены результаты моделирования в виде:1) статических характеристик, связывающих входные и выходные величины;2) переходных характеристик по основным каналам воздействий. 4694555974725б)00б)31591251269365Qβт,т/ч00Qβт,т/ч3159125190500Qст,т/ч00Qст,т/ч175895807085Qβт,т/ч00Qβт,т/ч 131762525400Qст,т/ч00Qст,т/ч476885025400t,с00t,с а) в) Рисунок 10 – а) статическая характеристика магнитного сепаратора по каналу «ΔQст – ΔQβт»; б) ступенчатое воздействие «расход твердого в сепаратор»;в) динамическая характеристика магнитного сепаратора по каналу «ΔQст – ΔQβт»109220840105Qυт,т/ч00Qυт,т/ч4694555982345б)00б)13176252296795Qст,т/ч00Qст,т/ч31762701320800Qυт,т/ч00Qυт,т/ч3090545140970Qст,т/ч00Qст,т/ч 47688508890t,с00t,с а) в) Рисунок 11 – а) статическая характеристика магнитного сепаратора по каналу «ΔQст – ΔQυт»; б) ступенчатое воздействие «расход твердого в сепаратор»;в) динамическая характеристика магнитного сепаратора по каналу «ΔQтс – ΔQтυ»4675505974725б)00б)188595828040QβFe,т/ч00QβFe,т/ч32029401399540QβFe,т/ч00QβFe,т/ч3168650111760Qст,т/ч00Qст,т/ч 470852567945t,с00t,с1407795-3810Qст,т/ч00Qст,т/ч а) в) Рисунок 12 – а) статическая характеристика магнитного сепаратора по каналу «ΔQтс – ΔQβFe»; б) ступенчатое воздействие «расход твердого в сепаратор»;в) динамическая характеристика магнитного сепаратора по каналу «ΔQтс – ΔQβFe»4713605982345б)00б)112395828675QυFe,т/ч00QυFe,т/ч31877001333500QυFe,т/ч00QυFe,т/ч3174365201930Qст,т/ч00Qст,т/ч 473710048260t,с00t,с1325245-1905Qст,т/ч00Qст,т/ч а) в) Рисунок 13 – а) статическая характеристика магнитного сепаратора по каналу «ΔQст – ΔQυFe»; б) ступенчатое воздействие «расход твердого в сепаратор»;в) динамическая характеристика магнитного сепаратора по каналу «ΔQст – ΔQυFe»4685030993775б)00б)3179445203200Wс,м3/ч00Wс,м3/ч31794451384300QβFe,т/ч00QβFe,т/ч123825940435QβFe,т/ч00QβFe,т/ч 4714875-8255t,с00t,с133794527940Wc,м3/ч00Wc,м3/ч а) в) Рисунок 14 – а) статическая характеристика магнитного сепаратора по каналу «ΔWс – ΔQβFe»; б) ступенчатое воздействие «расход воды в сепаратор»;в) динамическая характеристика магнитного сепаратора по каналу «ΔWс – ΔQβFe»4730750972820б)00б)32289751320800QυFe,т/ч00QυFe,т/ч3219450186690Wс,м3/ч00Wс,м3/ч142875727075QυFe,т/ч00QυFe,т/ч 479107519050t,с00t,с129032038100Wc,м3/ч00Wc,м3/ч а) в) Рисунок 15 – а) статическая характеристика магнитного сепаратора по каналу «ΔWс – ΔQυFe»; б) ступенчатое воздействие «расход воды в сепаратор»;в) динамическая характеристика магнитного сепаратора по каналу «ΔWс – ΔQυFe»3.4 Выбор канала управленияПри выборе канала управления и регулирования учитываются следующие положения:а) регулируемой величиной выбирается такая, которая имеет наибольшее технологическое значение для данного процесса. Для технологического комплекса магнитной сепарации такими величинами являются содержание полезного минерала в концентрате β и содержание полезного минерала в хвостах .б) выбирается канал управления с наибольшим значением коэффициента передачи ko.в) оцениваются динамические свойства выбранных каналов регулирования по их динамическим характеристикам, т.е. определяется канал с меньшим отношением транспортного запаздывания о к постоянной времени То.Так как инерционность магнитного сепаратора невелика, выбор управляющего воздействия можно производить по статическим характеристикам, учитывая только чувствительность управляемых параметров к управляющему воздействию.При выборе регулирующих воздействий магнитного сепаратора необходимо учитывать и степень селективности их влияния на выходные величины содержания железа в концентрате и в хвостах. В этом отношении в качестве регулирующего воздействия следует выбирать плотность пульпы.Кроме того, при выборе регулирующего воздействия необходимо учитывать, что в конструкцию магнитного сепаратора трудно встроить (из соображений надежности) какие либо периферийные устройства для регулирования процесса. Затруднено применение таких регулирующих воздействий как изменение частоты вращения барабана сепаратора и уровня заполнения ванны сепаратора.Для выбора канала управления сведем в таблицу 4 каналы управления, статические и динамические характеристики которых были рассмотрены выше.Таблица 4 – Основные каналы управления технологическим комплексом 2-й стадии ММС№ звенаКанал связиДинамические параметрыЗначение τ/ТkТ, сτ, с1234563«ΔQcт – ΔQβт»3,8992520,564 «ΔQcт – ΔQυт»0,1592520,565«ΔQcт – ΔQβFe»0,4792520,566«ΔQcт – ΔQυFe»0,00292520,5615«ΔWс – ΔQβFe»0,0692520,5616«ΔWс – ΔQυFe»0,002192520,5621«ΔQβт – ΔQслт»0,22524,40,08525«ΔQβFe – ΔQслFe»0,24524,40,08526«ΔWск – ΔQслж»4,8524,40,085Плотность пульпы, поступающей на сепарацию, наиболее полно удовлетворяет сформулированным требованиям к регулирующему воздействию по каналу содержания железа в концентрате.Необходимо регулировать плотность пульпы, поступающей на сепарацию, изменением расхода воды в зумпф, находящийся перед сепараторами. При этом время регулирования значительно уменьшается. Таким образом, управляющим воздействием по основному каналу может служить расход воды в зумпф. Корректирующим сигналом при этом может быть содержание железа в концентрате.Важно также учесть, что в проекте рассматривается именно 2-я стадия мокрой магнитной сепарации. На этой стадии обогащения осуществляется классификация материала по плотности и крупности. Классификация в сочетании с магнитной сепарацией позволяет выделять отходы по мере раскрытия минералов и пустой породы (обогащение по плотности), а некондиционный песковый продукт (обогащение по крупности) возвращать через замкнутый цикл на доизмельчение. Стабилизация слива по крупности и плотности оказывает заметное влияние на выход продукта.[13]К тому же, как видно по результатам моделирования, время регулирования намного меньше, чем при регулировании плотности пульпы перед сепаратором. Кроме того, как видно из таблицы 5, именно этот канал управления имеет максимальный передаточный коэффициент и минимальное отношение запаздывания к постоянной времени.Исходя из вышесказанного, в качестве основного канала управления локальной САР целесообразно выбрать зависимость расхода воды в классификатор от положения регулирующего органа на трубопроводе подачи воды. Корректирующим параметром при этом будет плотность пульпы в сливе классификатора.4 Автоматизация комплекса4.1 Выбор структуры управления технологическим комплексомОбогатительные комплексы занимают промежуточное положение в цепи производственных процессов добычи и использования полезных ископаемых. На вход обогатительных фабрик поступает сырье, вещественный состав которого отличается значительным непостоянством во времени, а на выходе должен быть получен кондиционный продукт, удовлетворяющий потребителя по своим качественным показателям. Поэтому необходима эффективная и надежная система автоматического управления и регулирования, основой которой является использование соответствующих технических средств автоматизации. Однако разнообразие объектов автоматизации, задач и требований к системам контроля и регулирования столь велико, что полное удовлетворение требований к техническим средствам автоматизации сделало бы их создание и применение технически и экономически нерациональным.Для решения этой проблемы разработана Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). ГСП представляет собой совокупность приборов, устройств и систем для получения, хранения и использования информации, построенную на основе стандартизации и унификации структур, связей, конструктивных форм и условий применения. ГСП предназначена для построения систем автоматического управления технически оптимальным образом.Технические средства, используемые при автоматизации процессов обогащения, должны характеризоваться высокой чувствительностью, точностью, значительным быстродействием, возможностью передачи сигнала на большие расстояния, высокой степенью унификации (схемной и конструктивной). Всем этим требованиям удовлетворяют приборы электрической ветви ГСП, которые обеспечивают возможность непосредственной связи с управляющими вычислительными машинами, что очень важно при функционировании автоматической системы регулирования в составе АСУ ТП обогатительной фабрики.Технологические процессы обогащения относятся к сложным технологическим процессам, поэтому оптимально решить вопросы управления этими процессами можно многоуровневыми системами управления. На фабрике мокрого магнитного обогащения применяется трехуровневая система управления. На первом уровне располагаются пункты управления каждой стадией обогащения, где располагаются приборы по месту. Второй уровень управления представлен двумя операторскими пунктами в которых расположены щиты КИП и А, щит оператора, операторский пульт. На третьем уровне - диспетчерская фабрики, где расположены щит КИП И А, ЭВМ, а также мнемосхемы технологических процессов.Все уровни оснащены средствами связи. Такая система управления обеспечивает ее надежность, оперативность, ремонтопригодность.4.2 Выбор принципов контроля и управления комплексом Для решения задач автоматизации технологического комплекса 2-й стадии ММС, приведенного на рисунке 1, необходимы следующие системы автоматического контроля и регулирования.1. Система автоматической стабилизации расхода воды в зумпф грунтовых центробежных насосов магнитных сепараторов с коррекцией по содержанию железа в концентрате.2. Система автоматической стабилизации уровня заполнения зумпфа грунтовых центробежных насосов магнитных сепараторов воздействием на частоту вращения электроприводов насосов.3. Система автоматической стабилизации расхода воды в корыто классификатора с коррекцией по плотности слива классификатора.4. Система автоматического контроля температуры подшипников магнитных сепараторов.5. Система автоматического контроля объемного расхода и плотности концентрата, поступающего с 1-й стадии мокрой магнитной сепарации, а также содержания железа в нем.6. Система автоматического контроля содержания железа в концентрате и отходах сепарации.7. Система автоматического контроля объемного расхода и плотности отходов сепарации.На основании приведенного перечня составлена схема автоматизации технологического комплекса 2-й стадии ММС, приведенная в Приложении Б. 4.3 Аппаратная реализация систем автоматизации комплекса ММС Для реализации системы управления технологическим комплексом 2-й стадии ММС необходимо предусмотреть следующие контуры:Необходимо обеспечить контроль следующих параметров:объемного расхода и плотности продукта, поступающего с 1-й стадии мокрой магнитной сепарации, а также содержания железа в нем;объемного расхода и плотности отходов сепарации, а также содержания железа в отходах;объемного расхода, плотности и гранулометрического состава слива классификатора.В качестве датчика плотности пульпы и датчика уровня в зумпфе используется радиометрический преобразователь Gammapilot M FMG60 производства компании «Endress+Hauser». Прибор измеряет частоту импульсов, получаемых сцинтилляционным детектором от источника гамма-излучения. Частота импульсов пропорциональна интенсивности радиации у детектора. Через частоту импульсов преобразователь рассчитывает измеряемое значение плотности или уровня в выбранных при настройке единицах. Диапазон измерения определяется пользователем. Настройка осуществляется через сервисный интерфейс с помощью модуля дисплея FHX40 или с персонального компьютера через Profibus или Foundation Fieldbus. Выходной сигнал преобразователя 4 – 20 мА.Для оценки гранулометрического состава пульпы используется анализатор PSI-200. Базовая конструкция анализатора включает в себя датчик с устройством промывки и вторичный прибор со встроенной в него платой обработки результатов измерений. Прибор производит измерение среднего размера частиц, попавших под измерительный щуп или эквивалентной этому размеру величины, например, постоянно обновляющейся суммы массива размеров зерен. Диапазон измерений 0,020 – 4 мм, диапазон контроля содержания класса -0,074мм: 15 – 90%, абсолютная погрешность: не более 2%, выходной сигнал: 0 – 5 мА, 4 – 20 мА.Температура подшипников магнитных сепараторов контролируется преобразователями термоэлектрическими с диапазоном измерений 0 – 3000С.Содержание железа в пульпе и продуктах обогащения контролируется при помощи информационно-измерительной системы РЦП-1. Основное назначение – непрерывный анализ элементного состава и плотности жидких технологических сред в потоке без пробоотбора и пробоподготовки. РЦП-1 может включать в себя множество установок, объединенных по локальной сети предприятия с сервером предприятия. Каждая система может включать в себя до 8 анализаторов. Каждый анализатор устанавливается в точке анализа технологического продукта. Количество одновременно определяемых элементов определяется пользователем. Анализатор идентифицирует и определяет в исследуемой среде содержания более 70 химических элементов: от калия до урана.В качестве датчиков контроля и стабилизации расхода воды в технологические аппараты используются расходомеры, выполненные на базе осредняющей напорной трубки Rosemount 3051SFA. Принцип действия расходомера основан на измерении расхода воды методом переменного перепада давления с использованием осредняющей напорной трубки Annubar. Основные преимущества такой конструкции в следующем:интегральная конструкция расходомера исключает потребность в импульсных линиях и дополнительных устройствах;низкие безвозвратные потери давления в трубопроводе сокращают затраты на электроэнергию;многопараметрический преобразователь 3051SMV в составе расходомера обеспечивает вычисление мгновенного массового расхода воды, приведенного к стандартным условиям;установка расходомера экономична и менее трудоемка по сравнению с установкой измерительного комплекса на базе стандартной диафрагмы;возможность установки расходомера без остановки технологического процесса.Диапазон измерений расхода 0,08 – 50000 кг/ч (м3/ч); предел основной относительной погрешности ±(0,80 – 3,0)%; выходной сигнал 4 – 20 мА.Регулирующие органы в системах стабилизации расхода воды – заслонки поворотные с двойным эксцентриситетом типа 497-40 производства фирмы «НЕМЕН». Диаметр трубопровода 65 – 1400 мм, давление в трубопроводе 1 – 10 МПа, температура среды -40 – 2600С.Для управления регулирующими органами используются электроприводы типа SP, выпускаемые той же фирмой, что и регулирующие органы. Крутящий момент 250 Нм; напряжение питания двигателя 220 В, 50 Гц, диапазон скоростей управления 10 – 60 с/900. Управление осуществляется пускателем бесконтактным реверсивным типа ПБР-2М.Контроль расхода пульпы осуществляется электромагнитными расходомерами Rosemount 8700, предназначенных для измерений объемного расхода электропроводных жидкостей, пульп, суспензий и т.п. В состав расходомера входят:фланцевый датчик расхода модели 8705 с диаметром условного прохода 15 – 900 мм, давление измеряемой среды 0,05 – 4,00 МПа;преобразователь 8732Е с устройством индикации, состоящим из двухстрочного дисплея по 16 знакомест в каждой строке и 4 оптических кнопки для настройки и конфигурирования расходомера без снятия крышки.Преобразователь также имеет расширенные функции самодиагностики, индикацию повышенного уровня зашумленности сигналов, определение пустой или не полностью заполненной трубы при наличии расхода, неисправности в заземлении и внешних подключениях, а также в катушке и преобразователе, определение нулевого расхода и обратного потока. Пределы основной относительной погрешности ±0,25%, выходные сигналы: 4 – 20 мА, частотно-импульсный (0 – 10кГц), Foundation Fieldbus.Для индикации и регистрации текущих значений измеряемых параметрах на щите используется сенсорная графическая панель оператора MT8070iH (Тайвань). Основные характеристики панели:дисплей 7” широкоформатный TFT, разрешение 800×480, количество цветов 65536, сенсорная панель резистивного типа;процессор 32-битный RISK 400 МГц, оперативная память 64 Мб, Flash-память 128 Мб, часы реального времени;порты ввода/вывода: 1×USB1.1, 1×USB2.0, Ethernet, последовательные порты COM1 (RS-232/485 2w/4w), COM2 (RS-232), COM3 (RS-232/485 2w), слот для SD-карты;напряжение питания 24В±20% постоянного тока, ток потребления 250 мА;рабочая температура 0 – 500С, влажность 10 – 90% (без конденсации);защита лицевой панели NEMA4/IP65.В Приложении В представлена заказная спецификация на средства контроля и автоматизации комплекса.В качестве устройства сбора первичной информации с датчиков, обработки этой информации, формирования задающих и управляющих сигналов, а также для передачи данных на верхний уровень управления используется программируемый логический контроллер (ПЛК).1. Данный проект автоматизации является новым техническим решением, но средства контроля и автоматизации устанавливаются на действующее технологическое оборудование, что экономит время и затраты на модернизацию.2. Поскольку оборудование эксплуатируется в условиях повышенной влажности из-за присутствия воды в процессах измельчения, сепарации и классификации, а также повышенной вибрации вблизи агрегатов, ПЛК целесообразно разместить в герметичном шкафу в помещении операторов. Шкаф защищен от воздействия влажности, а влияние вибрации исключается удаленностью от ее источника. Таким образом, к степени защиты контроллера от окружающей среды не предъявляется повышенных требований, поэтому для контроллера достаточно принять степень защиты от окружающей среды IP20.3. Определим по схеме автоматизации число дискретных устройств и их тип. В число входных дискретных сигналов контроллера входят сигналы состояния кнопок, пускателей, датчиков положения и конечных выключателей. Выходными дискретными сигналами контроллера являются сигналы управления исполнительными механизмами, а также сигнализирующие. В данной схеме автоматизации используются входные дискретные сигналы от концевых выключателей исполнительных механизмов в системах стабилизации расхода воды в аппараты комплекса. 4. Определим по схеме автоматизации число входных аналоговых сигналов, несущих информацию об измеренных технологических параметрах и количество выходных аналоговых сигналов.