Автоматизация мониторинга состояния среды промышленных предприятий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Ветлугин, Максим Михайлович

• Ветлугин, Максим Михайлович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ветлугин, Максим Михайлович

Введение

Список основных обозначений

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА БОРЬБЫ С ЛЕТУЧИМИ ВЫБРОСАМИ

1.1. Специфические черты и основные характеристики аэрозольных выбросов

1.2. Основные принципы очистки летучих выбросов

1.3. Инерционные средства очистки

1.4. Некоторые черты процесса, связанные с темой работы

1.5. Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

2.1. Процесс образования отложений на стенках циклона

2.2. Способы очистки стенок циклонов

2.3. Анализ циклона как объекта автоматизации

2.4. Управляющие воздействия

2.5. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

3.1. Общие требования к регулятору

3.2. Описание общего алгоритма

3.3. Управление процессом очистки

3.4. Алгоритм процесса очистки

3.5. Анализ алгоритмов

3.6. Выводы по главе

ГЛАВА 4. СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ

СИСТЕМЫ

4.1. Определение контролируемых параметров

4.2. Принципиальные основы выбранного метода измерения

4.3. Специфика выбранных принципов контроля

4.4. Градуировочная характеристика радиоизотопного толщиномера

4.5. Аппроксимация градуировочной характеристики

4.6. Исполнительная часть структуры

4.7. Выводы по главе 4 82 Основные выводы по работе 83 Литература 85 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация мониторинга состояния среды промышленных предприятий»

Деятельность любого промышленного предприятия неизбежно влияет на состояние окружающей среды, и влияние это тем существенней, чем масштабнее предприятие. Одна из сторон этого влияния — атмосферные загрязнения — выбросы в атмосферу различных смесей газов, жидкостей, твердых частиц. Характер усложнения экологической ситуации, связанного с промышленными выбросами, зависит от специализации производства, его масштабов и условий места расположения. Летучие выбросы разносятся воздушными течениями на большие расстояния, загрязняют водоемы и почву, приводят к отравлениям населения, животных и растений.

Исследования по вопросам усовершенствования методов очистки летучих отходов постоянно ведутся во всех странах мира: разрабатываются различные фильтры, проводится реорганизация производства в направлении обеспечения технологических циклов со связыванием газообразных и жидких компонентов выбросов, складированием и утилизацией твердых отходов.

Состав промышленных выбросов отличается разнообразием. Далеко не исчерпывающий список летучих компонентов включает твердые пылевидные частицы — продукты дробления и истирания минеральных материалов (гранитов, известняков, цемента, асбеста), сажу, золу, всевозможные смолы, кислоты, углеводороды, оксиды серы (S02 и S03), азота (N0 и N02), углерода (СО, С02), соединения фосфора (Р205, РН3 и др.), мышьяка (As203, As205), различных металлов.

Составляющие летучих выбросов можно классифицировать по-разному, в зависимости от целей классификации и роли, которую они играют в технологическом процессе. Специалисты по газоочистке обычно подразделяют компоненты на следующие [18]:

Газы — смеси веществ, устойчиво находящиеся в газообразном состоянии;

Пары — газы, способные переходить в жидкое или твердое состояние в некотором интервале температур;

Дымы — тонкодисперсные, нередко окрашенные, твердые или жидкие аэрозоли;

Пыль — твердые порошкообразные продукты, осаждающиеся или выделяющиеся из газов;

Туманы — жидкие аэрозоли;

Смеси — многокомпонентные выбросы.

В подавляющем большинстве приходится иметь дело именно со смесями, компоненты которых, помимо всего прочего, постоянно претерпевают изменения, находясь в сложных взаимодействиях.

Летучие выбросы наносят огромный вред окружающей среде, поэтому борьба с ними входит необходимой составной частью в любое производство. Полноценное развитие любого промышленного региона становится возможным при условии удовлетворительной очистки выбросов: разработка и усовершенствование газоочистных сооружений остается актуальной задачей при любых обстоятельствах.

В процессе прохода очистного сооружения многократно изменяются направление, скорость и объем аэрозольного потока, при этом в нем происходит множество взаимодействий химического и физико-химического характера, меняющих свойства компонентов и влияющих на процесс очистки. Это и химические реакции между жидкими и твердыми компонентами, и взаимное слияние и обволакивание частиц, и адсорбция газов поверхностно-активными веществами. Некоторая часть улавливаемых частиц оседает на стенках очистных сооружений и удерживается на них, нарастающий слой пристеночных отложений снижает эффективность очистки, так как сужает рабочий проход, ухудшает теплообмен, создает условия для возврата уже отловленных отходов в очищенный поток.

Поэтому для поддержания эффективности очистки требуется во-первых контроль толщины накапливающегося слоя, а во-вторых — его периодическое удаление. Сложность задач очевидна, если принять во внимание жесткие рабочие условия внутри очистных сооружений. В то же время следует отметить, что публикации по этим вопросам обычно ограничиваются констатацией фактов и самыми общими соображениями, а исследования по автоматизации процессов очистки практически отсутствуют. Таким образом, актуальность этой задачи несомненна, а результаты данной диссертации свидетельствуют также, что при квалифицированном подходе она вполне выполнима.

Основная цель работы:

Обеспечение автоматического контроля состояния промышленных газоочистных сооружений и автоматизация процессов их очистки от накапливающегося на стенках слоя отложений.

Достижение основной цели возможно при условии решения следующих задач:

1. Теоретический анализ динамики процессов, характерных для газоочистных сооружений, и в первую очередь — циклонов, используемых на промышленных предприятиях.

2. Разработка математических моделей процессов, связанных с образованием и удалением слоя отложений на стенках циклонов.

3. Анализ возможных способов очистки циклонов. Обоснование способов, наиболее приемлемых с точки зрения автоматизации.

4. Разработка алгоритмов, обеспечивающих оптимальное управление выбранными способами очистки.

5. Разработка автоматизированной системы управления, обеспечивающей реализацию разработанных алгоритмов.

Научная новизна работы

1. Впервые проведен целенаправленный теоретический анализ, разработаны математические модели газодинамических и сопутствующих процессов, протекающих в циклонах.

2. По результатам анализа моделей обоснованы принципы управления технологическими процессами очистки.

3. Сформированы и отлажены алгоритмы автоматизированной системы.

Практическая ценность исследований

В результате теоретического анализа, разработки критериев и алгоритмов управления спроектирована автоматизированная система контроля состояния циклонов и управления технологическим процессом их очистки.

Результаты моделирования, промышленных испытаний и внедрения системы подтвердили ее работоспособность и эффективность. Установлено, что разработанная система улучшает качество очистки за счет приборного контроля толщины накапливаемого слоя отложений и своевременного его удаления. Помимо того, система способствует уменьшению численности персонала и улучшению условий его труда.

Апробация результатов работы

По результатам исследований были сделаны доклады и получено одобрение на следующих семинарах и конференциях:

Научно-исследовательские конференции МАДИ ГТУ (Москва, 2004-2006 гг.).

Всероссийская конференция «Актуальные проблемы промышленного материаловедения» (Томск, 2005 г.).

По материалам диссертации опубликовано 6 статей.

На защиту выносятся

Результаты теоретического анализа газоочистки и сопутствующих процессов, относящиеся к задачам контроля и автоматизации.

Математические модели объектов контроля и управления в автоматизированных подсистемах.

Обоснованные и отлаженные алгоритмы управления.

Система автоматического контроля и управления процессом очистки циклона.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация содержит введение, 4 главы, общие выводы, список использованных источников (101 назв.), приложения. Общий объем диссертации — 98 стр.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Ветлугин, Максим Михайлович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Слой отложений, накапливающийся на внутренних стенках очистных сооружений, в частности, циклонов, применяемых на промышленных предприятиях, существенно ухудшает работу этих устройств, ухудшает теплообмен, повышает пожаропасность, создает условия для возврата уже отловленных отходов в очищенный поток. Отсутствие надежных средств борьбы с этим явлением делает актуальной задачу автоматизации контроля толщины слоя и его своевременного удаления.

2. Закрытая конструкция очистных сооружений, высокие температуры и расходы газовой смеси в циклонах препятствуют непосредственному контролю толщины слоя отложений. При автоматизации это приводит к необходимости использования для этой цели косвенных методов, таких как резонансный — по собственной частоте колебаний объекта, газодинамический — по перепаду давлений газового потока, радиоизотопный — по поглощению слоем уизлучения.

3. Анализ циклона как объекта контроля позволяет выбрать для очистки его стенок от отложений вибрационный способ. Преимущества способа — его экологичность, техническая реализуемость, хорошие регулировочные возможности.

4. Специфическая особенность циклона как объекта автоматизации — экстремальный характер управления процессом очистки: эффективное удаление отложений осуществляется при некоторых оптимальных значениях частоты и амплитуды вибраций. Другая его особенность состоит в том, что чем тоньше контролируемый слой, тем менее целесообразно и более сложно его удаление, так что вибратор должен включаться лишь при накоплении слоя достаточной толщины. Система управления, таким образом, представляется экстремальным регулятором импульсного типа.

5. В результате теоретического анализа, разработки критериев и алгоритмов управления разработана и испытана автоматизированная система контроля состояния циклонов и управления технологическими процессами их очистки. Результаты моделирования, промышленных испытаний и практического внедрения системы подтвердили ее работоспособность и эффективность. Система улучшает качество очистки накапливаемого слоя отложений, способствует уменьшению численности персонала на вредных работах и улучшению условий его труда.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ветлугин, Максим Михайлович, 2006 год

1. Адамович Н.В. Управляемость машин. — М.: Машиностроение, 1977

2. Андрианов Ю.М., Субетто А.И. Квалиметрия в приборостроении и в машиностроении. —Л.: Машиностроение, Ленингр. отд. 1990

3. Ансофф И. Стратегическое управление / Пер. с англ. — М.: Прогресс, 1989

4. Атаев К.И., Ветлугин М.М. Моделирование стратегии оптимального выбора // Моделирование технологических процессов в промышленности и образовании. М.: МАДИ (ГТУ). 2004.

5. Банит Ф.Г., Мальгин А.Д. Пылеулавливание и очистка газов в производстве строительных материалов. — М.: Стройиздат, 1979

6. Баранов Л.А. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления. — М.: Энергоатомиздат, 1990

7. Батурин В.В., Кучерук В.В. Вентиляция машиностроительных заводов. — М.: Машиностроение, 1954

8. Белевицкий A.M. Проектирование газоочитительных сооружений.—П.: Химия, 1990

9. Борисевич В.Б., Ветлугин М.М. Организация поточных технологий земляных работ методами автоматизации // Теория и практика организации информационных технологий. М.: МАДИ (ГТУ). 2004.

10. Бритвин Л.Н., Ветлугин М.М. Функциональные механизмы в строительных и производственных АСУ // Методы и модели автоматизации управления. М.: МАДИ (ГТУ). 2006. С. 79 83.

11. Бритвин Л.Н., Ветлугин М.М. Обоснование структуры специализированных насосных установок // Новые технологии в автоматизации управления. М.: МАДИ (ГТУ). 2004.

12. Брук В.М., Николаев В.И. Системотехника: Методы и приложения. —Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985

13. Вайсберг Л.А. Проектирование и расчет вибрационных грохотов. — М.: Недра, 1986

14. Васьковский A.M., Ветлугин М.М. Коррекция технологий очистки атмосферных выбросов средствами автоматизации // Межвузовский сборник «Теория и практика информационных технологий» М.: 2006.

15. Веников В.А. Теория подобия и моделирование (применительно к задачам электроэнергетики). — М.: Высшая школа, 1976

16. Вентцель Е.С. Исследование операций. М.: Сов. радио, 1972.

17. Ветлугин М.М. Способ повышения точности цифровых систем автоматического управления // Информационные технологии в задачах управления и обучения. М.: МАДИ (ГТУ). 2003. С. 12-16.

18. Ветлугин М.М. Структурные свойства автоматизированных систем в строительных технологиях // Моделирование и оптимизация в управлении. М.: МАДИ (ГТУ). 2003. С. 98-103.

19. Ветлугин М.М., Атаев К.И. Организационные задачи строительных технологий // Теория и средства автоматизации управления. М.: МАДИ (ГТУ). 2004. С. 70 74.

20. Воробьев В.А., Барский Р.Г. и др. Математические методы в автоматизации технологических процессов строительства. Алматы.: Гылым, 1997

21. Воробьев В А, Васьковокий A.M. Автоматизация технологических процессов землеройных машин и связанной с ними строительной техники. Журн. «Известия вузов (строительство)», №2, 1993.

22. Воробьев Н.В., Вернер В.Д. Микропроцессоры: Элементная база и схемотехника средств сопряжения / Под ред. Л.Н. Преснухина. М.: Высшая школа, 1984.

23. Воробьев В.А., Голованов В.Е., Голованова С.И. Методы радиационной гранулометрии и статистического моделирования. — М.: Энергоатомиздат, 1984

24. Воробьев В.А., Горшков В.А., Шеломанов А.Е. Гамма-плотно-метрия. — М.: Энергоатомиздат, 1989

25. Глебов Ю.Д. Контроль и автоматическое управление газоочистными установками. — М.: Химия, 1982

26. Гордон Г.М., Пейсахов И.Л. Пылеулавливание и очистка газов в цветной металлургии. — М.: Металлургия, 1977

27. ГОСТ 15855-77. Измерение времени и частоты. Термины и определения: Взамен ГОСТ 15855-70, 1979

28. ГОСТ 22556-77. Толщиномеры радиоизотопные металлических и неметаллических покрытий. Типы и основные параметры. 1978

29. ГОСТ 25931-83. Комплекс технических средств радиоизотопных приборов (КТС РИП). Общие технические требования. 1985

30. Грин X., Лейн В. Аэрозоли — пыли, дымы и туманы. Пер. с англ. / Под ред. Н.А. Фукс. — Л.: Химия, 1972

31. Громов Г.Р. Очерки информационной технологии. — М.: Инфо-Арт, 1993

32. Денисов А.А., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления. — Л.: Энергоиздат, 1982

33. Жолондковский О.И. Внимание, воздух! — М.: Московский рабочий, 1985

34. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М.: Машиностроение, 1975

35. Калинушкин М.П. Вентиляторные установки. — М.: Высшая школа, 1962

36. Кириллов В.Ф. Санитарная охрана атмосферного воздуха. — М.: Медицина, 1976

37. Компьютеры. Справочное руководство. Под ред. Г. Хелмса. В 3-х т. / Пер. с англ. — М.: Мир, 1986

38. Констанди Ф.Ф. Аэродромостроители. М.: НИИАС, 1993

39. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Пер. с англ. — М.: Наука, 1970

40. Коузов П.А. Основы анализа промышленных пылей и измельченных материалов. — Л.: Химия, 1987

41. Коузов П.А., Мальгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка от пыли и газов воздуха в химической промышленности. —Л.: Химия, 1982

42. Красовский Н.Н. Управление динамической системой. — М.: Наука, 1985

43. Кузнецов И.А., Ветлугин М.М. Анализ возможностей мультиа-гентных интеллектуальных логистических систем // Телекоммуникационные технологии в промышленности и образовании. М.: МАДИ (ГТУ). 2003. С. 59-65.

44. Лазарев В.Г., Маркин Н.П., Лазарев Ю.В. Проектирование дискретных устройств автоматики. — М.: Радио и связь, 1985

45. Лазарев В.Г., Пийль Е.И., Турута Е.Н. Построение программируемых управляющих устройств. — М.: Энергоатомиздат, 1984

46. Левин Б.Р., Шварц В.М. Вероятностные модели и методы в системах связи и управления. — М.: Радио и связь, 1986

47. Лейпунский О.И., Новожилов Б.В., Сахаров В.И. Распространение гамма-квантов в веществе. — М.: Физматгиз, 1960

48. Макконнелл Дж. Основы современных алгоритмов / Пер. с англ. М.: Техносфера, 2004

49. Марсов В.И., Славуцкий В.А. Автоматическое управление технологическими процессами на предприятиях строительной индустрии. — Л.: Стройиздат, 1975

50. Маслов А.А., Сахаров О.Н. Аналого-цифровые микропроцессорные устройства. — М.: МАИ, 1991

51. Методические материалы и документация по пакетам прикладных программ. Руководство программиста. — М.: МЦНТИ, 1990

52. Мясников В.А., Игнатьев М.Б., Покровский A.M. Программное управление оборудованием. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1984

53. Надежность технических систем: Справочник / Под ред. Ушакова И.А. — М.: Радио и связь, 1985

54. Надежность и эффективность в технике: Справочник. Т.9. Техническая диагностика / Общ. ред. Клюева В.В., Пархоменко П.П. — М.: Машиностроение, 1987

55. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / Клюев В.В., Соснин Ф.Р., Филонов В.Н. и др. / Под ред. В.В.Клюева. — М.: Машиностроение, 1995

56. Николаев А.Б., Будихин А.В., Погорнев В.М. Метод нечеткой классификации элементов моделей данных. — Журн. «Приборы и системы управления» № 9, — М.: 1991

57. Ноицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. — Л.: Энергоатомиздат, 1985

58. Оре О. Теория графов. — М.: Наука, 1980

59. Патент США № 2901189 МКИ В02 С 2/06

60. Патент США № 3312404 МКИ В02 С

61. Патент Франции № 1332431 МКИ В02 С

62. Патент ФРГ № 1237883 МКИ В02 С

63. Петров Б.Н., Викторов В.А., Мишенин В.И. К вопросу о построении инвариантных информационных и измерительных устройств. — М.: Наука, 1967

64. Роджерс Э., Агарвала-Роджерс Р. Коммуникации в организациях.— М.: Экономика, 1980

65. Руденко К.Г., Калмыков А.В. Обеспыливание и пылеулавливание при обработке полезных ископаемых. — М.: Недра, 1971

66. Сандлер Дж. Техника надежности систем / Пер. с англ. — М.: Наука, 1965

67. Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. — Л.: Гидрометео-издат, 1986

68. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. — М.: Наука, 1972

69. Сергеев И.И., Ветлугин М.М. Модернизация технологий подготовки трассы к строительству трубопроводов // Информационные технологии в задачах управления и обучения. М.: МАДИ (ГТУ). 2003.

70. Серго Е.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. — М.: Недра, 1985

71. Скорописов Ю.И. Автоматизированное управление грузопотоками. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1984

72. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. А.А. Красовского. — М.: Наука, 1987

73. Справочник по пыле- и золоулавливанию / Под ред. А.А. Русанова. М.: Энергоатомиздат, 1983

74. Старк С.Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. — М.: Металлургия, 1977

75. Тихонов В.И. Выбросы случайных процессов. — М.: Наука, 1970

76. Томилова О.В., Ветлугин М.М. Имитационное моделирование в задачах оптимизации строительных технологий // Теория и практика организации информационных технологий. М.: МАДИ (ГТУ). 2004.

77. Троицкий В.В. Обогащение нерудных строительных материалов. — М.: Стройиздат, 1986

78. Троп А.Е., Козин В.З., Аршинский В.М. Автоматизация обогатительных фабрик. — М.: Недра, 1980

79. Труханов В.М. Сложные технические системы типа подвижных установок. Разработка и организация производства. М.: Машиностроение, 1991

80. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. — М.: Химия, 1972

81. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. Очистка промышленных газов от пыли. — М.: Химия, 1981

82. Управляющие системы промышленных роботов / Под ред. Макарова И.М., Чиганова В.А. — М.: Машиностроение, 1984

83. Фритч В. Применение микропроцессоров в системах управления // Пер. с нем. — М.: Мир, 1984

84. Хаггарти Р. Дискретная математика для программистов / Пер. с англ. М.: Техносфера, 2005

85. Хеллман О. Введение в теорию оптимального поиска / Пер. с англ. — М.: Наука, 1985

86. Хоменюк В.В. Элементы теории многоцелевой оптимизации. — М.: Наука, 1983

87. Цикритзис С., Лоховски Ф. Модели данных. — М.: Финансы и статистика, 1985

88. Четвериков В.Н., Ревунков Г.И., Самохвалов Э.Н. Базы и банки данных. — М.: Высшая школа, 1987

89. Чупраков Ю.И. Гидропривод и средства автоматики. — М.: Машиностроение, 1979

90. Шейнман Е.В. Пылегазовоздухопроводы для тепловых электростанций. —Л.: Энергия, 1972

91. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем — искусство и наука / Пер. с англ. — М.: Мир, 1978

92. Юдицкий С.А., Магергур В.З. Логическое управление дискретными процессами. — М.: Машиностроение, 1987

93. Янг С. Алгоритмические языки реального времени / Пер. с англ. — М.:Мир, 1985

94. Янушевский Р.Т. Теория линейных оптимальных многосвязных систем управления. — М.: Наука, 1973

95. Berger Н., Jones T.S. Application of Nondestructive Inspection Methods to Composites. Materials Evaluation / 47 / April 1989

96. Bossi R.N., Friddell K.D., Nelson J.M. Backscatter Imaging. Materials Evaluation, v.46, Oct. 1988

97. Compact Vibrator Motor. Quarry Management and Products, v.8, №5,1981

98. Mayer G., Simonfai I., Potzy P. High Accuracy Digital Linearization of Frequency Signals of Tranducers // The Radio and Electronic Engineer. September, v.40, № 3,1980

99. New Life for the United Fligway Program. Asphaltstrasse, №5,1984

100. Petreni Poli. Quelques elements de technologie dans les appereils de cocassage-broyage et criblage /Traveaux, №469, 1974

101. R.S. Holt, M.J. Cooper. Non-Destructive Examination with a Compton Scanner. British Journal of NDT. March 1988