自动化系统中数学模拟技术研究.pdf

自动化系统中数学模拟技术研究钟若丹 自动化系统中数学模拟技术研究 钟若丹 陕西国防工业职业技术学院基础课部陕西西安 7 1 0 3 0 2 摘要 选取某车间配料自动化控制系统作为研究对象 研究了自动化系统的操作流程 控制原理以及操作控制过程 分析 了该系统的应用局限性和缺陷 介绍了自动化系统的试车情况 分析了料浆指标的波动原因 并自此基础上探讨了引入数学模 拟技术的必要性 通过研究非常规的在线标定方法 得到数学推导和数学回归两种方案 本文在两种方法优劣对比的前提下 结合两种方法进行标定 最后本文分别探讨了配料差值中料浆水分 烧成煤灰以及料浆混合的影响 并利用数学模拟技术提供 了准确的指标 为自动化系统的完善提供依据 关键词 自动化系统 数学模拟 在线标定 配料差值 中图分类号 T P 3 1 7 1文献标识码 AD O I 编码 1 0 1 4 0 1 6 j c nk i 1 0 0 l一9 2 2 7 2 0 1 6 0 9 1 8 6 A b s t r a c t T h isa r t ic les e le c t sac e r t a inw o r k s h o pa u t o m a t io nc o n t m ls y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t s t u d ie dt h eo p e r a o np m c e s so ft h e a u t o m a t io ns y s t e m t h ec o n t m l p r in c ip lea n dc o n t m lp r o c e s so p e m t io n a n a ly z e st h elim it a t io n sa n dd e f e c t so fa p p lic a t io no ft h es y s t e m t h is p a p e rin t m d u c e st h ea u t o m a t io ns v s t e mo ft h et e s tc a s e a n a ly s ist h er e a s o no ft h es lu r r yin d e xn u c t u a t io n a n ds in c et h e no nt h eb a s is0 f t h en e c e s s it yo fin t r o d u c in gm a t h e m a t ic a ls im u la t io n t e c h n o lo g yisd is c u s s e d T h r o u g ht h es t u d y o fo n lin e c a lib r a t io nm e t h o d u n c o n v e n t io n a lb ym a t h e m a t ic a ld e d u c t io na n dm a t h e m a t ic a lr e g r e s s io nt w op la n s b a s e do nt h ea d v a n t a g e sa n dd is a d v a n t a g e sc o m p a I d t w om e t h o d su n d e rt h ep r e m is eo fc o m b in in gt h et w om e t h o d sf o rc a lib m t io n D iH I e r e n c ea tt h ee n do ft h ep a p e rr e s p e c t iv e lyd is c u s s e st h e in g r e d ie n t sint h ew a t e r b u m in gc o a Ia s hs lu n ya n dt h ein n u e n c eo fs lu r r ym ix t u r e a n du s in gm a t h e m a t ic a l s im u la t io nt e c h n o lo g p r o v id e s a c c u r a t ein d ic a t o r p m v id et h eb a s isf o rt h eim p m V e m e n to ft h ea u t o m a t io ns y s t e m K e yw o r d s 肌t o m a t io ns y s t e m m a t h e m a t ic a ls im u la t io n o n lin ec a lib r a t io n in g r e d ie n t sd if f e r e n c e O 引言 在传统的工艺设计过程中多采用经验判断的方法 先进 制造技术的引入使工艺设计趋向于发展为定量分析 由技艺 型的加工工艺向工程科学转变 在先进制造技术领域 虚 拟制造技术作为其中的重要组成部分 越来越广泛的应用到 了现代制造业中 发挥着越来越重要的作用 在虚拟制造技术中 建模是核心所在 虚拟制造技术是在 2 0 个世纪八十年代提出的 一经提出就得到了迅速发展并引 起了各个领域人们的重视心J 目前在建模和仿真技术方面 美国 欧洲一些发达国家已经做了较为系统的开发和研究 并 取得了一定的研究结果并广泛地应用在实际生产中 在我 国 建模和仿真技术的应用起步较晚 虽然已经有很多科研单 位和个人等已经倾注了很多精力 但是研究的系统性以及研 究深度等还存在着不足 这一问题尤为突出的表现在数学建 模方面 还有待于进一步的完善 在制造设计过程中遇到的实 际问题还有待于行之有效的理论和方法去分析问题和解决问 题Ho 尤其是关于数学模拟技术的理论研究 还需要进一步 加强数理逻辑 理论集合以及图论水平等方面的技术探讨 1 生产自动化系统研究现状 1 1 自动化系统操作流程 随着科学技术的不断发展以及生产规模的逐渐扩大 制 造行业在2 1 世纪之后开始了快速的发展 尤其表现在生产控 制技术以及生产设备的创新改造方面 引入了自动化控制系 收稿日期 2 0 1 6 一0 4 2 5 作者简介 钟若丹 1 9 8 0 一 女 汉 陕西西安人 大学本科 讲师 主要研 究方向为数学应用 1 8 6 统提高生产系统的自动化水平 通过微机控制系统自动化改 造相关的生产环节 1 在自动化系统的控制下 加入各类生 产原料之后 按照配料方案进行原料比例的调配 保证出磨料 浆能满足既定的配料指标 避免出磨料浆指标因人工不稳定 控制等因素造成的壁咚 创造良好的料浆调配工作环境 此 外 通过微机对生料煤系统的控制 能有效地确保稳定性的配 煤比例 荧光分析仪能使样品分析速度得到有效提升 有助于 及时快捷的提供样品数据 1 2 自动化系统控制原理 配料自动化的目的只要是通过微机控制各类生产原料 根据配料比例对下料量进行控制 达到稳定控制出磨料浆的 稳定性 本文选择的车间配料自动化系统包含生料浆自动 配料以及预配煤系统 生料将自动配料系统包括成分分析 电 子秤计量 质量流量计 计算机配料监测以及P L C 控制系统 采用的控制方案为快速分析离线获取的样品并进行在线控 制 预配煤系统包括P L c 控制系统 电子秤计量以及新建煤 粉料仓等 要独立完成在矿石中定量均匀的添加煤粉的任务 根据料煤加入量 矿石总量等计算出两者比例 变频调速的对 下煤量进行控制和反馈 1 3 自动化系统操作控制过程 在自动化系统中涉及的原料系统共有五台 这些系统之 间是独立运行的 采取分级控制的方法 在出磨料浆中 硅渣 是最后加入的 必须要准确监测加入硅渣的成分 并对其进行 精确的计量 严格控制其在配方中的比例 确保人槽料浆指标 能达到8 5 以上的合格率 每一台原料磨具有以下操作 控制过程 对原材料进行取样和分析 按照分析得出的原料成 本 把初始配料方案计算出来并进行控制 计算出精确的硅渣 加入量 把配比信息加入到配料方案中去 启动自动化控制设 自动化与仪器仪表 2 0 1 6 年第9 期 总第2 0 3 期 备 按照配比方案把生产原料投放到生产线上去 经过1 0 1 5 分钟 对混合生料浆进行取样 进行离线分析 比较料浆中的 各类指标 把新的配比自动计算出来或者进行手动修改 传输 到P L c 控制系统自动执行 2 自动化系统中数学模拟技术的必要性 分析 2 1 自动化系统的试车情况 在自动化系统设置完毕之后要进行试车 时间为一周 试 车过程中能发现很多问题 其中表现最突出的就是期望的超 过8 5 的合格率与实际出磨料浆指标有出入 有较大的指标 波动幅度 对配料生产工作产生了直接的影响 所以提前中止 了试车工作 分析和总结了波动原因 并完善了配料的运行程 序 分析发现 试车期间较大的料浆指标波动 能影响到配料 的操作 引起熟料的不合格 对生产工作的稳定性产生一定的 影响 试车过程中出现的问题有一些是提前预计到的 但是 有一部分是相对异常那个的 设备故障类的较容易解决 但是 异常问题比较棘手 控制系统的缺陷也需进一步的分析和 解决 2 2 料浆指标波动的原因分析 对试车问题的研究分析 可以归结为以下原因 自动化系 统针对配料的程序具有较差的抗干扰能力 在程序的自我修 正方面还存在不足 该系统是综合了五台机器混合料浆的样 品进行分析 然后通过系统的反馈修正进行标定 但是对所有 的皮带秤进行标定需要耗费大量的人力物力 在实际生产过 程中并不允许 而且即使经过标定 常规的方法也都具有不 足 会造成较大的误差 自动化系统的校正操作并不能消除误 差 造成校正工作的困难 即便自动化系统能与设计要求相 吻合 但是也只是解决了局部自动化控制问题 无法确定控制 指标意味着实际问题无法解决 2 3 数学模拟技术的重要性 生产过程本身是复杂的 自动化控制难点体现在 料浆磨 制阶段对人磨原料的精确计量 料浆配置阶段配料差值的计 算如何与异常情况相结合 在料浆磨制阶段 不仅要控制原 料的精确配制 同事还要确保生产系统的顺利运转 在稳定生 产效率的同时要适当的使工人的劳动强度和生产成本有所下 降 在料浆调配时 要对料浆磨制进行指导 首先要计算出准 确的配料差值 解决料浆配制与熟料分析之间的滞后问题 通 过模拟料浆 昆合过程 对其内部变化过程进行量化处理 把模 糊问题明确化 预测配料结果 及时发现并纠正问题 避免因 人为因素和操作不稳定性带来的影响 3在线标定方法研究 3 1 数学推导标定方法 根据原料下料量可以对配料指标和料浆化学成分进行计 算 同样 根据配料计算方案和实际料浆分析结果也可以对原 料下料量进行计算 反向在皮带秤上对各种原料进行标定 当理论结果与实际分析结果差异较大时 就可以认为是物料 计量的问题 通过反推对实际下料量进行计算并与实际数值 相比较 最终实现对皮带秤的标定 在各种物料的计量中 电 子皮带秤可以计量石灰 矿石以及碱粉等原料 容易产生误 差 建邺流量的计量数据较为准确和可靠 可以选其为计量基 准 计算参考公式如式 1 所示 料浆水分 差茬蓑粼 1 0 0 全流程5 台磨总的料浆水分 或 每l台原料磨的料浆水分 丽嚣淼甏篇篇糌煞枷 碱液流量 碱液每立方容量 1 0 0 各种干料的重量 1 3 2 数学回归标定方法 常规的标定方法有其缺陷所在 既然测量值和显示值之 间存在的误差是由固有因素造成的 那么两者之间也有相关 性 假定这个相关关系为一元线性关系 那么把测量值和显示 值代入就有一个矩阵形成 但是数据标定过程中受到的影响 可能是来自多方面的 利用矩阵可能无解 可能得到的解并不 唯一 也可能得到的解与实际情况差距很大 所以在分析标定 结果时可以采用数学回归分析方法寻找规律 提供在线修正 显示值的依据 3 3 两种方法优劣对比 数学推导标定方法处理的多为一个数据标定的情况 暂 时不能建立通用的模拟方程 数学回归标定方法应用起来较 为便利 把两种方法结合在一起进行应用 可以对下料条件 进行设定 不同的条件可以得出不同的料浆 通过多次取样分 析 拿到样本数据组之后使用数学回归分析方法 就可以得出 回归方程来说明显示值与测量值之间的相关关系 也即是一 个数学模拟的标定方法 该方法即使在不停止生产过程的情 况下也能进行在线的标定 可以保证生产的连续稳定 同时还 有助于检修计划和生产的安排 4 数字模拟技术的具体应用 4 1 配料差值中料浆水分变化的影响 料浆水分变化可以影响熟料烧成煤耗的结果 进一步导 致煤灰掺入量的变化 对熟料的化学成分产生一定的影响 导 致熟料指标的波动 通过生料与熟料之间的关系可以进行换 算 正常的生产料浆通常含有4 2 5 的水分 增加料浆水分 无疑就会增加烧成煤量以及单位熟料耗用料浆 以正常料浆 水分作为比较基准 对比计算不同料浆水分值时的变化 就可 以得出配料差值中料浆水分变化带来的影响 计算结果如表 1 所示 表l配料差值中料浆水分的影响 饕弓耋鼍签多誊黜患鬻嚣溢嚣嚣盏 1 8 7 自动化系统中数学模拟技术研究钟若丹 4 2 配料差值中烧成煤灰的影响 在同样的煤耗量下 烧成煤灰的变化必然会导致熟料中 掺入煤灰的不同 进一步影响配料差值的变化以及熟料指标 的变化 以前一年的烧成煤灰平均含量为比较基准 对配料差 值中烧成煤灰含量的变化进行计算 可以估计单位烧成煤灰 变化量造成的影响程度 具体数值见表2 表2配料差值中烧成煤灰的影响计算表 珙灰含量 熟料中煤灰参入量 碱比差值差值变化值钙比差值差值变化值 4 3 配料差值中料浆混合的影响 采用数学模拟的方法建立混合过程的模型 对各指标的 变化趋势进行直观的表达 对熟料指标进行准确的预测 可以 使得出的配料差值更准确 有效的指导生产 使生产控制手段 更为有效 首先采用数据推导的方法进行数学模型的构建 经过多次计算之后可以数值对各指标的变化趋势进行直观的 表达 具体计算结果见表3 变化趋势图见图1 表3料浆成分与指标的变化趋势 生料碱比H R 1 2 I I 1 1 0 0 I 咖 1 O 5 结论 34S678 混台时间 h 料浆碱比指标变化趋势图 本文研究了数学推导和数学回归两种标定方法 并充分结 合两种方法进行实际生产中的标定 并引入数学模型的方法对熟 料指标进行预测 提供了配料判断和操作的依据 但是现有自动 化系统的逻辑判断能力还有待进一步提升 把常见异常生产波动 的影响因素总结出来 进一步改造和完善数学模型 参考文献 李继顺 刘德明 氧化铝料浆配料差值异常波动的分析和对策 J 分析试验室 2 0 0 4 2 3 3 2 2 3 2 7 宋国宁 蒋新松 刘宝义 大型过程工业自动化全过程体系结构 J 信息与控制 1 9 9 4 2 3 2 6 5 章浙根 陈普 周克良等一种高性能水泥生产配料自动控制系统的 设计与实现 J 1 9 9 8 1 9 1 4 2 韩璞 刘吉臻 董泽 热工过程建模方法的研究及其应用 J 华北 电力学院学报 1 9 9 4 2 8 8 李农庄 侯国莲 唐明辉 热工对象模型阶次的一种数值分析方法 J 北京动力经济学院学报 1 9 9 4 3 2 1 徐惠群 热工过程控制系统的计算机仿真分析 J 云南工业大学 学报 1 9 9 5 2 5 3 程蓓蓓 胡纫兰 江辅华 水泥生料成分配料自动控制一机多磨系 统 J 四川水泥 1 9 9 6 2 5 3 王保义 邱素改 张少敏 电力调度自动化系统中基于可信度的访 问控制模型 J 电力系统自动化 2 0 1 2 1 2 7 6 8 l 1 1 5 许振明 基于I E c 6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统模型设计及生成 D 厦门大学 2 0 0 8 上接第1 8 5 页 4 结束语 早在很多年以前 我国著名的教育家叶圣陶先生就说过 教是为了不教 培养学生的最终目的是要提高学生的自主 学习能力 随着网络信息技术的快速发展和数字化校园建设 的普及 教师要充分利用网络资源进行教学改革 学生为主 体 以教师为主导的创新培养模式慢慢的被各类学校所使用 特别是在网络环境下的基于网络技术的自主学习教学模式被 广泛的探讨和完善 现在 我国正在大力普及信息技术 积极 探索和实践适应时代发展的新的教育模式势在必行 文章主 要介绍了充分利用网络技术进行的自主学习教学模式 通过 此模式的实施可知 此模式可以大大提高学生的学习积极