АВТОРЕФЕРАТ

кваліфікаційної роботи магістра
«Автоматизація процесу збагачення вугілля на пневмовібраційному сепараторі»

ВСТУП

Актуальність роботи Для збагачення вугілля в останні роки все частіше використовується пневмовібраційний спосіб. Особливості даної технології [7,8,9], втіленої в сучасних сепараторах, дозволяють виконувати поділ гірської маси з високою ефективністю та в широкому діапазоні грубості. Але недостатня вивченість сепаратора як об'єкта керування та надзвичайно низький рівень автоматизації збагачувальної установки на його базі, змушують оператора в умовах виробництва здійснювати збагачення вугілля переважно вручну, ґрунтуючись на власному досвіді. Це значно підвищує ймовірність неправильного керування і, як наслідок, зниження ефективності поділу вихідного матеріалу. Розробка законів регулювання сепаратором дозволить підвищити його економічні показники та надійність. При цьому особливий інтерес представляє поводження часток, що утворять постіль сепаратора, у режимах, що створюються, механічного струшування й подачі повітря. Розробка адекватної моделі, що дозволяє визначити закони керування сепаратором, дасть можливість побудувати ефективну систему керування та поліпшити показники його роботи

Об'єкт досліджень – гравітаційне збагачення вугілля на пневмовібраційному сепараторі

Ціль роботи – підвищення ефективності збагачення вугілля на пневмовібраційному сепараторі шляхом створення системи керування

Ідея роботи Застосувати фізико-математичний апарат для опису процесів, що відбуваються при гравітаційному збагаченні вугілля на пневмовібраційному сепараторі

Методи досліджень Математичне моделювання, математична статистика і теорія ймовірностей, метод планування експерименту

Задачі Для досягнення поставленої мети передбачається вирішити наступні задачі:

1. Вивчення й аналіз технологи пневмовібраційного збагачення, огляд відомих способів і методів підвищення ефективності роботи сепаратора.
2. Розробка математичної моделі з метою вивчення поводження часток постелі сепаратора, аналіз отриманих результатів моделювання.
3. Обґрунтування методу й розробка алгоритму керування сепаратором.
4. Моделювання системи керування, перевірка її ефективності
5. Розробка технічних рішень

Процес розділення матеріалу на продукти з використанням вібропневматичного сепаратора показано на рис.1 (якщо анімація не програється, перезавантажте сторінку).

Рисунок 1 – Розділення матеріалу на сепараторі
(gif-анімація: об'єм - 65 КБ; розмір - 640x480; кількість кадрів - 12; затримка між кадрами - 200 мс; кількість циклів повторення - 10; анімація створена з використанням програм 3dsmax 6.0 та Macromedia Fireworks MX 2004)

(дивитися якісний та більш інформативний відеоролик)

ТЕХНОЛОГІЯ ПНЕВМОВІБРАЦІЙНОГО-ПНЕВМАТИЧНОГО ЗБАГАЧЕННЯ

Існує декілька різних принципів поділу гірської маси з метою виділення з неї та подальшого використання найціннішої складової – вугілля. Кожному способу збагачення відповідає машина певної конструкції. При цьому всім методам поділу та машин, що ці методи реалізують, властиві певні достоїнства й недоліки, що впливають на вибір технології й устаткування для підприємства

Основними критеріями тут є такі:

• точність виділення вугілля;
• продуктивність установки;
• вплив вологості гірської маси на ефективність поділу;
• вібраційне навантаження на конструкції будівлі, де перебуває машина;
• використання води в процесі поділу;
• забруднення й запилення навколишнього середовища;
• вартість устаткування.

Останнім часом одержала широке поширення й продовжує розвиватися технологія вібропневматичного збагачення. Даний напрямок успішно розвивається в Австралії, Росії, Казахстані, США, Японії й Китаю. Для реалізації зазначеної технологи використаються установки з вібропневматичними сепараторами. Прикладом іноземних установок можуть слугувати FGX–6 (Китай) і Allair (Німеччина). В Україні ЗАТ «Луганський машинобудівний завод імені А.Я.Пархоменко» випускається сепаратор СВП–5,5х1, що призначений для збагачення в повітряному середовищі вугілля, руд та інших сипучих матеріалів насипною щільністю до 2.8 т/м³ з поверхневою вологою до 8%, грубістю до 75 мм. Застосовується при збагаченні кам'яних вугіль і антрацитів у регіонах з малою забезпеченістю гідроресурсами, а також при перезбагаченні відвалів [1].

Серед машин подібного класу СВП-5,5х1 лідирує за якісними показниками одержання концентрату, залишаючись при цьому більш доступним за ціною. При порівнянні сепаратора СВП-5,5х1 з аналогічними машинами для сухого збагачення FGX-5 (Китай) і «СЕПАИР» (Росія), встановлено, що український сепаратор має вищу продуктивність та ефективність поділу при меншій собівартості одержання кінцевого продукту.

Разом з тим, до недоліків розглянутої конструкції сепаратора варто віднести низький рівень автоматизації технологічного процесу. На сьогодні регулювання піднімального механізму 4 і кутів нахилу деки 5 здійснюється оператором вручну, відсутні засобу контролю розпушеності постелі, витрати повітря, параметрів вібрації (див. рис.2). Розробка системи автоматизованого керування вібропневматичним сепаратором і засобів контролю основних технологічних параметрів сухого збагачення дозволить виключити вплив людського фактора на кінцевий результат і пов'язані із цим непродуктивні простої механічного встаткування, підвищити якісні показники одержуваного продукту.

ВІБРОПНЕВМАТИЧНИЙ СЕПАРАТОР

При пневмовібраційному збагаченні під впливом повітряного потоку та одночасного механічного струшування відбувається розділення гірської маси, що перебуває на перфорованій робочій поверхні машини [3]. Залежно від грубості та щільності зерен матеріалу відбувається його розпушення та розшаровування. Поділ матеріалу на продукти здійснюється шляхом переміщення утворених шарів постелі по робочій поверхні машини в декількох напрямках.

У пневмовібраційних сепараторах (рис. 2) відділення шарів, що утворяться, відбувається поступово на всій площі робочої поверхні, що забезпечує на різних ділянках різну концентрацію матеріалу залежно від щільності та грубості зерен. Розвантаження виконується з периферійних ділянок деки

Рисунок 2 – Схема сепаратора СВП–5.5х1:
1 – технологічний вентилятор; 2 – повітровід; 3 – опора; 4 – підіймальний механізм; 5 – дека;
6 – постіль; 7 – привідний механізм; 8 – зонт

Найбільш важливі технологічні параметри і їхній вплив на процес збагачення зведені в табл.1.

Таблиця 1 – Основні параметри

Основне завдання автоматичного регулювання пневмовібраційних сепараторів полягає у виборі режиму роботи, при якому забезпечується найкраще відділення сторонніх домішок з вугілля при його мінімальних втратах у відходах. Аналіз табл.1 показує, що керування процесом збагачення на сепараторі зводиться до регулювання наступних основних параметрів [2]:

• витрата повітря Q_B, м³/ч;
• частота коливань короба ω, сек^–1;
• амплітуда коливань короба Δ, мм;

На рис.3 представлена структурна схема керування пневмовібраційним сепаратором:

Рисунок 3 – Структурна схема керування сепаратором

Змінний гранулометричний склад вугілля та його щільність є збурювальним впливом f(t). Керуючий вплив u(t) представлено зміною витрати повітря Q,_B, частоти ω і амплітуди Δ коливань короба. Вектор спостереження y(t) представлений вихідними сигналами вимірювальних перетворювачів про зольність концентрату А^К, промпродукту А^П/П та відходів А^ОТХ , а також про ступінь розпушеності постелі

Таким чином, керування сепаратором зводиться до оперативної зміни значень параметрів керуючого впливу залежно від факторів, що обурюють, з метою одержання продукту високої якості

ЗАСОБИ ВИМІРУ

Для нормального протікання процесу збагачення необхідно розпушити гірську масу й привести її до стану псевдоожиженості. У цей час не існує пристроїв, що дозволяють оцінити ступінь розпушеності постелі матеріалу пневмовібраційного сепаратора. При цьому, саме ступінь розпушеності є найбільш важливим показником, від якого залежить ефективність поділу гірської маси в процесі збагачення

У цей час існують пристрої, призначені для виміру розпушеності постелі відсаджувальних машин. Один з таких пристроїв — пристрій для автоматичного виміру розпушеності постелі відсаджувальної машини, містить поплавець із важільною системою, індуктивний давач розпушеності та схему формування сигналу виміру розпушеності [4].

Відомий також пристрій, що містить щупи, які занурюються в постіль, виконані у вигляді стрижнів, укріплених у напрямних підшипниках [5]. Існує прилад, що включає вимірювальний елемент, установлений на валу електродвигуна. При зануренні вимірювального елемента в постіль матеріалу й включенні електродвигуна за рахунок гальмування вала двигуна зернами постелі виникає крутний момент, що перетвориться в деформацію пружної вимірювальної балки. Деформацію балки реєструють тензометричні давачі [6].

Однак перераховані пристрої спроектовані для застосування в умовах відсаджувальних машин, на відміну від яких при пневмовібраційному збагаченні присутнє вібраційне поле, яке створюється коливною декою сепаратора, а це впливає на точність вимірів

Розроблений пристрій автоматичного контролю ступеня розпушеності постелі наведено на рис.4. Пристрій складається з вимірювального елемента 1, укріпленого на валу 2 двигуна 3 постійного струму з незалежним збудженням, корпус якого закріплений нерухомо. У ланцюг електродвигуна послідовно включений постійний резистор 4, спадання напруги на якому сприймається аналогово-цифровим перетворювачем (АЦП) мікроконтролера (МК) 5.

Рисунок 4 – Пристрій для контролю розпушеності постелі пневмовібраційного сепаратора

При подачі напруги живлення U на обмотку якоря двигуна, останній починає обертатися, зазнаючи момент опору M_C, що залежить від геометричних параметрів вимірювального елемента 1 та ступеня розпушеності постелі досліджуваного матеріалу ρ. Чим менше розпушена постіль твердого матеріалу, тим більший момент опору створюється на валу 2 електродвигуни 3. З ростом моменту опору на валу знижується швидкість обертання останнього, у зв'язку із чим збільшується струм I_Я, споживаний двигуном з мережі. При збільшенні ступеня розпушеності постелі величина струму в ланцюзі електродвигуна, відповідно, знижується. Відповідно струму змінюється спадання напруги ΔU на включеному послідовно з якірним ланцюгом резисторі. Це спадання напруги перетвориться АЦП мікроконтролера, що відповідно до алгоритму формує відповідний сигнал керування сепаратором

У сталому режимі роботи напруга U_Я, прикладена до якоря двигуна, урівноважується електрорушійною силою (ЕРС) Е, наведеної в якорі, та спаданням напруги в якірному ланцюзі:

де

c – конструктивний коефіцієнт двигуна;

Φ – магнітний потік, що створюється обмоткою збудження двигуна або постійних магнітів;

ω_Д – кутова швидкість обертання вала двигуна;

I_Я – струм якірного ланцюга двигуна;

R_Я – опір якірного ланцюга двигуна;

R_Д – опір додаткового резистора

Зміна кутової швидкості ω_Д на валу двигуна під дією опору, що створюється постіллю матеріалу, розпушеного до певного ступеня, приводить до зміни ЕРС E і, отже, величини струму I_Я.

Таким чином, по величині струму, споживаного приводним електродвигуном пристрою, можна оцінювати ступінь розпушеності постелі сепаратора. Застосування розробленого пристрою дозволяє формувати керуючий вплив для забезпечення високої продуктивності сепаратора й виходу якісного продукту збагачення

СИСТЕМА КЕРУВАННЯ

Як було показано раніше, вуглезбагачувальна установка на основі вібропневматичної технології досить ефективна. Але ефективність може бути підвищена. Це можливо шляхом усунення її головного недоліку – ручного керування. Головна машина установки – вібропневматичний сепаратор – підданий значному часу простою через відсутність виконавчих механізмів для зміни технологічних параметрів. Також відсутній датчик розпушеності постелі матеріалу та система керування процесом збагачення, що приводить до значного впливу людського фактору на ефективність поділу

Система керування може бути побудована як набір блоків, кожний з яких відповідає за вимір і зміну певних параметрів вібропневматичного сепаратора (далі сепаратор). Всі блоки взаємодіють із центральним пристроєм, що, відповідно до алгоритму, управляє процесом поділу і створює запити та інформаційні повідомлення операторові

На рис.5 показана схема сепараторної установки з розташованими в ній блоками. Для керування використаються наступні блоки:

• БПУ – блок пиловловлення;
• БКД – блок коливань деки;
• БПР – блок поздовжнього нахилу деки;
• БПП – блок поперечного нахилу деки;
• БПВ – блок подачі повітря;
• БПМ – блок подачі матеріалу;
• БСП – блок стану постелі.

Завданням БПУ є забезпечення оператора інформацією про стан системи пиловловлення (справність вентилятора, тиск у трубопроводі та ін.). БКД вимірює та змінює режим хитань деки сепаратора. БПР і БПП вимірюють і змінюють відповідно поздовжній і поперечний кути нахилу деки. БПВ вимірює та змінює параметри повітряного режиму висхідного потоку (витрата і пульсації повітря). БПМ управляє живильником. БСП інформує про стан постелі матеріалу (вимірює розпушеність).

Рисунок 5 – Схема сепараторної установки [1]:
1 – технологічний вентилятор; 2 – повітропровід; 3 – опора; 4 – піднімальний механізм; 5 – дека;
6 – постіль; 7 – привідний механізм; 8 – зонт; 9 – бункер; 10 – живильник; 11 – підіймальний механізм; 12 – очищення повітря

Центральний пристрій (ЦУ) з кожним блоком взаємодіє по лінії зв'язку. Це дозволить підвищити надійність системи в порівнянні з більш економічною топологією «загальна шина». З комп'ютером ЦУ з'єднується по інтерфейсу RS–232 (рис.6). При цьому в оператора повинна бути можливість ручного керування процесом через ЦУ.

Рисунок 6 – Структурна схема системи керування

Застосування ЕОМ дозволить використати складну модель для ефективного керування процесом. Також можливий збір та архівація даних про роботу установки та наочне відображення поточного стану процесу

Центральний пристрій представлений мікроконтролером МК, що живиться від промислової мережі через перетворюючий блок живлення БП (рис.7). Для узгодження рівнів при обміні інформацією з комп'ютером призначений блок узгодження БС. Кожний із блоків БПУ..БСП з'єднується із МК через пристрій гальванічної розв'язки ГР. Другий блок живлення призначений для передачі по лінії до блоків сигналу більш високого за рівнем у порівнянні з напругою, якою оперує МК.

Рисунок 7 – Укрупнена структурна схема

Кожен блок повинен однаковим чином взаємодіяти з МК. Це дозволить спростити обмін інформацією між МК і блоками, а також уникнути пов'язаними із цим помилками. Формат повідомлень обміну даними між ЦУ та блоками має такий вигляд (рис.8):

Рисунок 8 – Вид повідомлень:
1 – стартовий біт; 2 – запит на зміну/вимір; 3 – команда; 4 – біт парності; 5 – дані у відповідь

Створення подібної системи дозволить досягти наступних результатів:

• наглядне представлення даних
• швидкий пошук несправності
• швидка зміна параметрів (керування об'єктом)
• керування на основі комп'ютерного моделювання процесу
• мінімізація впливу людського фактора

Список джерел 

1. Каталог товаров ЗАО «Луганский машиностроительный завод имени А.Я.Пархоменко»
2. Б.Д.Бесов Аппаратчик пневматического обогащения углей. Справочное пособие для рабочих. М.: Недра, 1988, 77 с.
3. Справочник по обогащению углей. Под ред. И.С.Благова, А.М.Коткина, Л.С.Зарубина. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1984, 614 с.
4. Авторское свидетельство СССЗ №989790, кл. В03В 13/00, 1980
5. Авторское свидетельство СССР №155763, кл. В03В 13/00, 1962
6. Авторское свидетельство СССР №219479, кл. В03В 13/00, 1966
7. Gravity_separation, en.wikipedia.org
8. Кузбасс внедряет «сухой» способ обогащения угля
9. «Сухое» обогащение – реальная замена устаревшим технологиям (эта статья есть в библиотеке)
10. Рубинштейн Ю.Б, Волков Л.А. Математические методы в обогащении полезных ископаемых. – М.: Недра, 1987. – 296 с.
11. Гравітаційна сепарація корисних копалин: Навч. посібник /П.І.Пілов.– Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, 2003.– 123 с.
12. Автоматизированные системы управления технологическими процессами обогащения руд / Хорольский В.П., Хоцкина В.Б., Бабец Е.К. // Збагачення кописних копалин: Наук.–техн. зб. – 2004. – Вип. 21(62). – С. 105–114