Process Control of Crushing Circuits
Itävuo, Pekka (2023)
Itävuo, Pekka
Tampere University
2023
Teknisten tieteiden tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Engineering Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2023-05-05
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2874-0
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2874-0
Tiivistelmä
Kivenmurskaus on keskeinen osaprosessi kiviaineksen, metallien ja sementin tuotannossa. Murskaamalla tuotetut raaka-aineet muodostavat nykyaikaisen infrastruktuurimme perustan.
Huolimatta merkittävästä roolistaan, kivenmurskaus on yksi harvoista teollisista prosesseista, jonka prosessinohjaus toteutetaan edelleen kokemusperäisesti, ilman luotettavaa mittaustietoa suoritettujen ohjaustoimien vaikutuksista. Nykykäytäntö altistaa murskausprosessit prosessivaihteluille ja –häiriöille, ja johtaa viime kädessä tehottomaan tuotantoon ja kapasiteetin vajaakäyttöön. Pääsyinä nykytilaan voidaan pitää murskausprosessien puutteellista anturointia ja tutkimustiedon puutetta korkeamman automaatioasteen tuomista hyödyistä.
Tässä väitöskirjassa pyrittiin ratkaisemaan edellä mainittu ongelma automaattisen prosessinohjauksen avulla. Päätavoitteena oli kehittää säätömenetelmät murskauspiirin suorituskyvyn saattamiseksi lähelle parasta saavutettavissa olevaa tasoa.
Tämä tutkimus perustuu mallipohjaiseen säädönsuunnittelumenetelmään. Systemaattinen suunnitteluprosessi alkoi säätötavoitteiden määrittelystä ja dynaamisten prosessimallien kehittämisestä. Kehitettyjen prosessimallien avulla luotiin säätötavoitteet täyttävä säätöstrategia ja viritettiin strategian vaatimat prosessisäätimet. Lopuksi simulointimallien avulla kehitetty ja testattu säätöstrategia implementoitiin osaksi laitoksen automaatiojärjestelmää ja sen suorituskyky arvioitiin täyden mittakaavan prosessikokeiden avulla.
Tämä väitöskirja on osoittanut, että murskauspiirin tehokas ja tarkoituksenmukainen toiminta vaatii eri kahden säätötavan toteuttamista: massataseen säätö ja hienonnusmäärän säätö. Massatasesäädön tavoitteena on varmistaa 100 % käyttöaste murskauspiirin pullonkaulassa. Hienonnusmäärän säätö varmistaa halutun murskaimen tuotemateriaalin partikkelikokojakauman. Kehitetyt hienonnusmäärän säätömenetelmät perustuvat itseoptimoituvaan säätötapaan, joka mahdollistaa likimain optimaalisen suorituskyvyn käyttämällä säätimessä vakio-asetusarvoa. Kun tämä asetusarvo valitaan optimaalisesti, mahdollistaa esitelty ohjausstrategia parhaan saavutettavissa olevan murskauspiirin suorituskyvyn.
Työn merkittävä tunnuspiirre on erityisen kattava empiria. Kehitetyt menetelmät testattiin kattavasti useissa erilaisissa tuotantoskenaarioissa ja prosessikonfiguraatioissa. Täyden mittakaavan prosessikokeiden tulokset vastasivat hyvin lähelle simulaatioilla saatuja tuloksia.
Tämä väitöskirja on merkittävä edistysaskel murskausprosessien säädössä. Työn tuloksena kehitetyt mittaus- ja säätötavat mahdollistavat tehokkaamman ja tarkoituksenmukaisemman raaka-ainetuotannon. Työn tuloksilla voidaan olettaa olevan merkittävä vaikutus siihen, miten ja millä tavoin murskausprosesseja ohjataan tulevaisuudessa. Työssä kehitetyn murskauspiirin automaattisen säätöstrategian voidaan olettaa toimivan perustana tulevaisuuden murskausprosessien prosessiautomaatio-toteutuksille.
Huolimatta merkittävästä roolistaan, kivenmurskaus on yksi harvoista teollisista prosesseista, jonka prosessinohjaus toteutetaan edelleen kokemusperäisesti, ilman luotettavaa mittaustietoa suoritettujen ohjaustoimien vaikutuksista. Nykykäytäntö altistaa murskausprosessit prosessivaihteluille ja –häiriöille, ja johtaa viime kädessä tehottomaan tuotantoon ja kapasiteetin vajaakäyttöön. Pääsyinä nykytilaan voidaan pitää murskausprosessien puutteellista anturointia ja tutkimustiedon puutetta korkeamman automaatioasteen tuomista hyödyistä.
Tässä väitöskirjassa pyrittiin ratkaisemaan edellä mainittu ongelma automaattisen prosessinohjauksen avulla. Päätavoitteena oli kehittää säätömenetelmät murskauspiirin suorituskyvyn saattamiseksi lähelle parasta saavutettavissa olevaa tasoa.
Tämä tutkimus perustuu mallipohjaiseen säädönsuunnittelumenetelmään. Systemaattinen suunnitteluprosessi alkoi säätötavoitteiden määrittelystä ja dynaamisten prosessimallien kehittämisestä. Kehitettyjen prosessimallien avulla luotiin säätötavoitteet täyttävä säätöstrategia ja viritettiin strategian vaatimat prosessisäätimet. Lopuksi simulointimallien avulla kehitetty ja testattu säätöstrategia implementoitiin osaksi laitoksen automaatiojärjestelmää ja sen suorituskyky arvioitiin täyden mittakaavan prosessikokeiden avulla.
Tämä väitöskirja on osoittanut, että murskauspiirin tehokas ja tarkoituksenmukainen toiminta vaatii eri kahden säätötavan toteuttamista: massataseen säätö ja hienonnusmäärän säätö. Massatasesäädön tavoitteena on varmistaa 100 % käyttöaste murskauspiirin pullonkaulassa. Hienonnusmäärän säätö varmistaa halutun murskaimen tuotemateriaalin partikkelikokojakauman. Kehitetyt hienonnusmäärän säätömenetelmät perustuvat itseoptimoituvaan säätötapaan, joka mahdollistaa likimain optimaalisen suorituskyvyn käyttämällä säätimessä vakio-asetusarvoa. Kun tämä asetusarvo valitaan optimaalisesti, mahdollistaa esitelty ohjausstrategia parhaan saavutettavissa olevan murskauspiirin suorituskyvyn.
Työn merkittävä tunnuspiirre on erityisen kattava empiria. Kehitetyt menetelmät testattiin kattavasti useissa erilaisissa tuotantoskenaarioissa ja prosessikonfiguraatioissa. Täyden mittakaavan prosessikokeiden tulokset vastasivat hyvin lähelle simulaatioilla saatuja tuloksia.
Tämä väitöskirja on merkittävä edistysaskel murskausprosessien säädössä. Työn tuloksena kehitetyt mittaus- ja säätötavat mahdollistavat tehokkaamman ja tarkoituksenmukaisemman raaka-ainetuotannon. Työn tuloksilla voidaan olettaa olevan merkittävä vaikutus siihen, miten ja millä tavoin murskausprosesseja ohjataan tulevaisuudessa. Työssä kehitetyn murskauspiirin automaattisen säätöstrategian voidaan olettaa toimivan perustana tulevaisuuden murskausprosessien prosessiautomaatio-toteutuksille.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4943]