Читать... - оао &quot

1
Применение виброакустического анализа
для контроля объемного заполнения мельниц
Улитенко К.Я., к. т. н., первый зам. генерального директора,
Соколов И.В., с. н. с., Маркин Р.П.н.с,
ОАО «Союзцветметавтоматика»
E-mail: [email protected] http://www.scma.ru
Известно, что работа измельчительных агрегатов (мельниц различного типа)
сопровождается возникновением шумовых эффектов различной физической природы
(акустического, вибрационного и электрического полей). При этом характеристики этих
полей (интенсивность, частотные свойства) в значительной степени зависят от степени
объемного заполнения барабана мельниц измельчаемым материалом, что предопределяет
возможность построения систем стабилизации объемного заполнения мельниц,
основанных на использовании этих эффектов [1].
Принимая во внимание, что стабилизация объемного заполнения позволяет
адаптировать процесс измельчения под изменяющееся качество измельчаемого материала
и в определенной степени стабилизировать качество по гранулометрическому составу
измельченного продукта, возникла необходимость разработки серийных приборов
измерения шумовых эффектов для применения в системах контроля и управления
технологическим процессом измельчения. В ОАО «Союзцветматавтоматика» такие
разработки ведутся с 60-х годов прошлого века.
Наибольшее распространение получили приборы, основанные на использовании
амплитуды интенсивности звукового поля акустического шума мельницы, создаваемого
ударами падающих шаров на мельничную футеровку через слой измельчаемого материала
(приборы типа «Звук-7»). Другим известным методом является измерение интенсивности
вибрационного поля головного подшипника мельницы в точке максимума амплитудночастотного спектра (приборы типа «УРК-3»). Возможно применение приборов,
основанных на комбинации этих методов, либо дополнительных информационных
параметров, например частоты Райса (переходов шумового процесса через ноль).
Указанные приборы нашли достаточно широкое применение в цветной, черной
металлургии и смежных областях и в ряде достаточно простых случаев могут быть
использованы и в настоящее время [2].
Вместе с тем развитие современной микропроцессорной техники и методов
виброакустического анализа позволяют существенно усовершенствовать этот класс
приборов в плане повышения достоверности их показаний, надежности и расширения
функциональных возможностей. В частности использование полного спектра шумовых
сигналов, измеряемого и анализируемого в реальном масштабе времени, позволяет более
адекватно выбрать частотные диапазоны и их комбинации для выявления наиболее
устойчивых
параметров,
характеризующих
объемное
заполнение
мельниц.
Вычислительные ресурсы современных процессорных устройств дают возможность
одновременно анализировать несколько компонентов шумового поля – акустического,
вибрационного и электрического, что позволяет применять один и тот же прибор
практически для любых типов мельниц, отличающихся типами футеровки и мелющих тел.
Наконец на базе таких приборов достаточно просто реализуются локальные системы
автоматического регулирования, легко вписывающиеся в современные АСУ ТП,
основанных на любых типах программно-технических комплексов.
Описанные идеи заложены при разработке виброакустического анализатора
загрузки мельниц ВАЗМ-1, который, по сути, является виртуальным прибором,
анализирующим шумовые сигналы различной природы и формирующим некий
относительный или абсолютный показатель, характеризующий объемное заполнение
мельницы.
2
ВАЗМ1 реализует также функцию архиватора динамики изменения параметров
входных сигналов во времени. Эта функция анализатора позволяет установить
соответствие отдельных параметров входных сигналов параметрам технологического
процесса и может быть использована для оптимизации процесса в составе АСУ ТП.
Прибор может быть использован и в качестве основного вычислительного средства
в локальных автоматизированных системах управления технологическим процессом
измельчения (ЛАСУ ТПИ).
В зависимости от конкретной реализации в состав прибора входит до четырех
датчиков шума различной природы. Один из вариантов − акустический микрофон
специальной конструкции с подавлением шумов от посторонних источников.
Другой вариант – виброакселерометр, устанавливаемый на головном подшипнике
мельницы. Третий тип – это датчик тока или активной мощности привода мельницы,
фиксирующий электрический шум. Возможен вариант датчика, анализирующего
наведенный радиационный фон.
Конструктивно, ВАЗМ1 реализован в виде шкафа, в котором установлены
основные компоненты анализатора (вычислительное средство и модули УСО). Усилители
входных сигналов выполнены в виде отдельных модулей, устанавливаемых в рабочей
зоне мельницы. Акустический датчик (микрофонное устройство) устанавливается
в непосредственной близости от барабана, а вибродатчик (акселерометр) на опоре
головного подшипника мельницы.
4-х канальная структура анализатора ВАЗМ1 позволяет выбрать для управления
процессом тот компонент шумового поля (вибрационный, акустический или
электрический), который в наибольшей степени отражает уровень загрузки мельницы
конкретного типа. Кроме того, анализатор позволяет производить суммирование
выходных сигналов каналов с необходимой степенью приоритетности, что повышает
точность контроля объемной загрузки мельницы в зависимости от особенностей
измельчительного процесса.
В некоторых случаях (при однородности процесса) многоканальная структура
анализатора позволяет использовать его для независимого контроля и управления
несколькими мельницами.
Анализатор ВАЗМ1 может быть использован в различных режимах управления
технологическим процессом измельчения. В режиме контроля сигнал анализатора,
соответствующий максимальному уровню загрузки, используется для принудительного
отключения подачи исходного сырья, обеспечивая тем самым защиту мельницы
от перегрузки [3]. В автоматизированном режиме управления сигнал анализатора ВАЗМ1
может быть использован для поддержания заданного уровня загрузки, обеспечивая
стабилизацию параметров процесса измельчения.
Прибор оснащается двумя и более аналоговыми выходами 4-20мм для передачи
информации об объемном заполнении мельницы на регистрирующий прибор или в АСУ ТП
верхнего уровня. В последнем случае так же обеспечивается доступ к прибору
по стандартным интерфейсам ETHERNET или RS-485.
Встроенное программное обеспечение анализатора ВАЗМ1 разработано на основе
программного пакета LabVIEW фирмы National Instruments и реализует следующие
функции:
 визуальное представление входного сигнала (аналог осциллографа);
 визуальное представление спектра сигнала;
 измерение уровня сигнала (интегральное значение) в полном диапазоне частот
(общий уровень сигнала);
 измерение уровня сигнала (интегральное значение) в пяти, выбранных
пользователем, частотных поддиапазонах;
 измерение амплитуды максимума спектра и его частотного положения;
 расчет частоты перехода сигнала через нулевой уровень (частоты Райса).
3
Программное обеспечение анализатора формирует также архив временных
трендов, отражающих динамику изменения параметров входных сигналов, который
является доступным серверу верхнего уровня АСУ ТП. Сформированный архив трендов,
в совокупности с архивом трендов технологических параметров, может быть использован
в структуре АСУ ТП для оптимизации параметров технологического процесса измельчения.
Рис. 1.
На рис. 1. представлена панель виброакустического анализатора ВАЗМ-1
в двухканальном исполнении. В верхней части приводится акустический сигнал реальной
шаровой мельницы (слева) и его спектр (справа). В нижней части та же информация
приведена для вибрационного сигнала. На этой же панели могут быть выбраны окна
спектрального диапазона (до пяти) а так же задано время выборки шумовых сигналов.
Для конкретного рассматриваемого случая спектры акустического и
вибрационного сигналов не идентичны, хотя достаточно близки, что позволяет
использовать один канал как основной, другой как резервный для повышения надежности.
В рассматриваемом случае наиболее чувствительным по объемному заполнению
для обоих типов шумовых сигналов является частотный диапазон от 100 до 3000Гц.
Вместе с тем, как показал анализ, более устойчивым к изменению условий измельчения,
хотя и менее чувствительным, является отношение сигналов в указанном диапазоне
к диапазону 3000-5000 гц.
Это не является общей закономерностью для любых шаровых мельниц и
свидетельствует о том, что для выявления информативных и устойчивых параметров
требуется предварительное исследование конкретного объекта, что может быть сделано
на основе анализа архивов трендов, хранящихся в анализаторе.
Важным требованием является устойчивость показаний прибора при
изменяющихся во времени условиях измельчения – износе футеровки мельницы,
изменении параметров акустического тракта, меняющемся шаровом заполнении.
4
Если влияние последних двух факторов, как показало исследование, устраняются
соответствующим выбором информативных признаков из спектра сигнала, то износ
футеровки приводит к медленному тренду сигнала объемного заполнения, то есть
требуется периодическая подстройка прибора.
Рис. 2.
На рис. 2. приведен фрагмент долговременной (2-х годичной) записи акустического
сигнала мельницы, на котором зафиксированы моменты ее перефутеровки (желтые
стрелки), а также хорошо виден тренд сигнала (синяя линия) между двумя моментами
перефутеровки. Характеристики сняты с головной мельницы ОФ Стойленского ГОКа.
В реальных условиях для этого не требуется специальных воздействий на
мельницу, достаточно воспользоваться данными естественной периодической разгрузки
мельницы, возникающей по технологическим причинам.
Рис. 3.
На рис. 3 приведен процесс разгрузки мельницы при прекращении подачи руды.
Сначала уровень акустического шума возрастает, достигая состояния близкого
к стационарному и соответствующему полной разгрузке. Далее после выключения
привода мельницы сигнал опускается до уровня естественного шума. Фиксирование
значений сигнала на уровне полной разгрузки и уровне естественного шума
и соответствующая подстройка шкалы, как показала практика, позволяет обеспечить
требуемую воспроизводимость показаний при износе футеровки и изменении шумового
фона. При работе в составе АСУ ТП процесс подстройки может выполняться
автоматически без участия оператора.
5
Более сложным является процесс градуировки прибора, то есть приведение
его шкалы к реальным значениям объемного заполнения. Практически невозможно
напрямую измерить количество материала, находящегося в данный момент в мельнице.
В этом случае можно воспользоваться косвенными методами. Для этого используется
методика определения запаса в мельнице и классифицирующем аппарате, изложенная в [4].
Если прибор работает в составе АСУ ТП, где имеются дополнительно датчики расходов
и плотностей, то опять же можно воспользоваться процессом естественной разгрузки
по рис. 3. По расходу воды в измельчительный комплекс и плотности слива
классифицирующего аппарата можно оценить расход твердого из циркулирующего
контура за время разгрузки.
Зависимость расхода по твердому в сливе гидроциклона Qp (т час) от суммарного
3
расхода воды в мельницу и зумпф Qв ( м час) и плотности слива  (в % твердого) может
быть с достаточной степенью приближения получена из формулы:
Qp 
  Qв
1 
(1)
Здесь принято, что плотность воды равна 1т/м3. Интеграл по времени значения
расхода по (1) от момента полной разгрузки (в этот момент количество материала
принимается равным нулю) до ее начала в каждой выбранной промежуточной по времени
точке даст объем материала в контуре циркуляции в эти временные точки. Сопоставив
сигнал от прибора в этих же точках, получаем его соответствие расчетному значению
материала находящемуся в данный момент в контуре циркуляции. Учитывая, что
циркулирующая нагрузка состоит из двух компонентов – объема руды в мельнице и ее
объема в зумпфе насоса гидроциклона, необходимо из полученных значений вычесть
текущий объем материала, находящийся в зумпфе. Это легко определяется по известному
значению уровня и плотности материала в нем. В результате получаем объем материала в
тоннах, находящийся в данный момент времени в мельнице.
Построив по точкам соответствие сигнала ВАЗМа и расчетных значений текущего
заполнения мельницы, получаем градуировочную кривую. На рис 4. приведена
соответствующая кривая для прибора ВАЗМ-1 для одной из мельниц СП «Эрдэнэт»,
оснащенной соответствующими датчиками расходов и уровней.
Рис. 4.
6
Из градуировочной зависимости видно, что кривая имеет заметную нелинейность
в начале и конце шкалы, что при необходимости корректируется процедурой
линеаризации, встроенной в программное обеспечение.
Аналогичная процедура может быть предложена для комплекса со спиральным
классификатором. Здесь оценка остаточного материала на спирали классификатора
осуществляется по мощности или току привода классификатора.
Таким образом широкие возможности виброакустического анализа, реализованные
в виртуальном приборе ВАЗМ-1 создают реальные предпосылки для его использования
в современных АСУ ТП. Прибор уже нашел конкретное применение в ряде систем
управления измельчением, в том числе на Стойленском ГОКе, Абагурской фабрике
Кузнецкого ГОКа, СП «ЭРДЭНЭТ» [5].
Список литературы
1. Олейников
В.А.,
Тихонов
О.Н.
«Автоматическое
управление
технологическими процессами в обогатительной промышленности». М., Недра. 1966 г.
2. Сорокер Л.В.,. Швиденко А.А «Управление параметрами флотации»
М., Недра. 1979 г.
3. Улитенко К.Я, Попов Е.В. Автоматическая защита барабанных мельниц
от технологических перегрузок. «Обогащение руд» 2004 г. № 2.
4. Улитенко К.Я., Маркин Р.П. Определение циркулирующей нагрузки
измельчительных агрегатов в АСУ ТП. «Обогащение руд» 2005 г. № 2
5. Дамба-Очир Д., Кимяев И.Т., Улитенко К.Я. «Принципы построения АСУ ТП
измельчения на базе вибро-акустического анализатора загрузки мельницы ВАЗМ-1.
«Цветные Металлы» 2003 г. № 10