1 500 1 http://romeka.rgf.rs/files/original/Doktorske_disertacije/DD_Benovic_Tomo/DD_Benovic_Tomo.1.pdf 41fd8e4c1364814901ec300e68a56ed7 PDF Text Text УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ РУДАРСКО-ГЕОЛОШКИ ФАКУЛТЕТ Томо Л. Беновић ФАЗИ МОДЕЛОВАЊЕ ЧИШЋЕЊА УГЉА У АУТОГЕНОЈ СУСПЕНЗИЈИ Докторска дисертација Београд, 2013 Чланови комисије: 1. др Слободан ВУЈИЋ, редовни професор Научна област: Примењено рачунарство и системско инжењерство Рударски институт, Београд 2. Академик, др Валентин Апексеевич ЧАНТУРИЈА, редовни професор Научна област: Припрема минералних сировина Редовни чпан Руске академије наука, Институт за опште освајање землзе, Москва 3. др Надежда Ћалић, редовни професор Научна област: Припрема минералних сировина Универзитет у Бања Луци, Рударски факултет, Приједор 4. др Мирко ВУЈОШЕВИЋ, редовни професор Научна област: Операциона истраживања Универзитет у Београду, Факултет организационих наука 5. др Игор МИЉАНОВИЋ, ванредни професор Научна област: Примењено рачунарство и системско инжењерство Универзитет у Београду, Рударско-геолошки факултет Датум одбране: ФАЗИ МОДЕЛОВАЊЕ ЧИШЋЕЊА УГЉА У АУТОГЕНОЈ СУСПЕНЗИЈИ Резиме Чишћење угља у аутогеној суспензији је процес на чију ефективност и ефикасност утиче известан број чинилаца. У системском смислу то је релативно једноставан процес са неколико фаза, међутим у технолошком смислу процес усложњава променљивост карактеристика ровног угља на улазу и могуће промене техничко-технолошких перформанси постројења у коме се изводи раздвајање. Свакако ово је струци добро познато, и прихвата се као чињеница, али се поставља друго питање, питање постизања ефикасности система за подршку одлучивању и управљању процесом чишћења угља у условима када су промене чинилаца који утичу на процес флуидне и не лако предвидљиве. Бројна истраживања на ову тему била су у протеклом времену претежно усмерена ка моделима за подршку одлучивању и управљању, заснованим на конвенционалним детерминистичким приступима у комбинацији са математичком статистиком и вероватноћом, са резултатима који нису сасвим задовољавајући. Последњих деценија, развој фази логике и велики напредак у њеним применама у различитим подручјима и у рударству, отвара нове могућности и у области одлучивања и управљања чишћењем угља. Ово је утицало на идеју о изради ове докторске дисертације, а циљ је да се сагледају и истраже могућности примене фази технике као алата за подршку одлучивању и управљању, односно као алата за моделовање процеса чишћења угља. У том смислу, докторска дисертација садржајно обухвата осам поглавља у којима се од увода, преко проблема чишћења угља, општих погледа на теорију и примену фази логике, развоја алгоритма, структурног и фазификованог модела, и тестирања модела на примеру постројења за чишћење угља Рудника и термоелектране Угљевик, у завршном делу изводе поуке и закључци. На нивоу изведених истраживања модел је дао задовољавајуће резултате, са сазнањем да је фази логика погодан алат за решавање ове врсте проблема, а да поузданост оваквих моделских алата за подршку одлучивању и управљању не почива само на фазификацији улазних и процесних параметара, већ и на структуирању производног (моделираног) система, избору фази опсега и естимације по могућности што мањег броја параметара модела како би се што ефикасније описао реални процес. Кључне речи: МЕКО РАЧУНАЊЕ, ФАЗИ ЛОГИКА, МОДЕЛОВАЊЕ, ЧИШЋЕЊЕ УГЉА Научна област: РУДАРСКО ИНЖЕЊЕРСТВО Ужа научна област: СИСТЕМСКО ИНЖЕЊЕРСТВО УДК: 004:005.5719.237/. 857/.87:553.6921. 3:622.332/.767 659.25:662.7.00 4:681.(3043.3) 1.0 УВОД Предмет истраживања: Због стохастичности процеса, проблем оптимизације процеса чишћења угља припада сложеним и захтевним инжењерским задацима, са непосредним последицама по ефекте рада постројења за чишћење угља на рудницима. Постројења за чишћење угља у принципу раде са вишеструким циклусима чишћења. Чист угаљ из постројења треба да задовољи више услова квалитета: садржај пепела, сумпора, топлотна моћ, проценат влаге, итд. Ефекат промене радних параметара постројења за чишћење угља одражава се на количине чистог угља произведеног под надзираним условима. Истраживања показују да се оптимално искоришћење постројења може постићи само ако сваки процесни циклус доприноси побољшању квалитета угља. Конвенционални приступ управљања процесом побољшања квалитета угља оптимизира процес чишћења уважавањем само једног критеријумског параметра. У случајевима када овакав приступ постаје сложен, гломазан, са решењима која могу навести доносиоца одлуке на погрешан закључак фази логика пружа могућност превазилажења овог проблема и компаративна анализа показује на ефикасност и погодност фази логичког приступа оптимизацији процес чишћења угља. Сагледавајући временску и просторну променљивост квалитативних обележја ровног угља, као и подложност процеса чишћења различитим поремећајним утицајима, решење овог проблема се може тражити у фази техници. Истраживања на овом пољу рударства су у иницијалној повојној фази, то је отворен и неистражен простор. Ова сазнања су непосредно утицала на избор теме докторске дисертације. Циљеви дисертације: Процеси чишћења угља, изложени су променљивим утицајима различитих фактора (природни или услови радне средине, примењена технологија, тржишни услови, привредно-економски амбијент, геополитички утицаји, еколошка ограничења, социјални упливи и др.) који одређују алтернативност одвијања процеса. Променљив квалитет минералне сировине на улазу у процес припреме, утиче на ефективност и ефикасност рада постројења за припрему, на трошкове производње, на експлоатациони век опреме, на ефикасност заштите животне средине и сл., и захтева такво управљање процесом којим ће бити амортизовани негативни поремећајни упливи. Циљеви управљања процесом чишћења угља су: постизање захтеваног квалитета, а самим тим и цене финалног производа; високо временско и капацитетно искоришћење постројења, ниски трошкови одржавања; енергетска ефикасност; ефикасност коришћења расположивих ресурса и радне снаге; еколошка безбедност итд. У амбијенту у којем постоји више алтернативних решења, увек се поставља питање које је решење најбоље? Одговор на овако постављено питање на предметном проблему није једноставан, напротив сложен је и уколико није утемељен на адекватној анализи и мерилима, може бити високо ризичан са последицама које се у принципу не виде одмах. У том смислу истраживања су обухватила: Сагледавање проблема, анализу трендова истраживања и остварених резултата на овом пољу, детерминацију алгоритма и фази модела оптимизације за подршку одлучивању и управљању процесом чишћења угља. Примењена истраживања, обухватила су проверу и вредновање применљивости у реалним условима постављеног модела, а за тестирања је послужило постројење за чишћење угља површинског копа „Богутово село“ Рудника и термоелектране Угљевик. Искуства и остварени резултати у свету: Прегледом и анализом расположивих литературних извора сагледане су активности и трендови у овој области развоја и истраживања. Сазнања су послужила као оријентири и репери у истраживањима на дисертацији. У поглављима која следе, дати су парцијални прикази, коментари, изнети резултати и оцене неких од истраживања, те ћемо се због рационалности задржати само на фактографским подацима који допуњују слику о истраживањима у овој области. Претраживањем на Интернету, на кључне речи фази процес добија се 95,4 милиона резултата, на кључне речи процес чишћења угља одзиве је 32,8 милиона информативних јединица, на кључне речи фази процес чишћења угља 1,07 милиона резултата, а на кључне речи фази модел чишћења угља 6.210 је резултат. Свакако ово нису прецизни мериторни показатељи, али они оквирно ипак осликавају актуелност подручја истраживања којем припада дисертација. У прилог овоме иду и следећи подаци: Више је од 20 реномираних часописа који објављују радове са темама из меког рачунања и фази логике, и одржава се неколико периодичних научних скупова међународног и регионалног карактера. У току израде дисертације сагледано је и коришћено преко 140 изворних информационих јединица (страна 104), које потврђују констатацију изнету на крају претходног пасуса, да тема дисертације припада развојно отвореном и актуелном подручју истраживања у рударству. Основне полазне поставке: Аутор се, као рударски стручњак који дуго година ради на оперативним и руководним задацима у Руднику угља у Угљевику, суочавао са проблемима и рада постројења за чишћење угља. Праћењем, прегледом и анализирањем литературе, констатовао је да предметном проблему није посвећена пажња примерена његовој технолошкој и економској важности и последицама по производне и пословне ефекте рада рудника. Ово је генерисало идеју и утицало на дефинисање концепције истраживања ове докторске дисертације. Основне полазне поставке за истраживања у оквиру дисертације су: (1) Недовољна сагледаност и истраженост предметног проблема; (2) Значај проблема за индустрију угља; и (3) Непостојање „рецепта”, односно унапред препоручљивог модела оптимизације процеса чишћења угља. Програм истраживања: Истраживања у оквиру докторске дисертације обухватила су теоријска и примењена истраживања. • Теоријским истраживањима проблем је сагледан, отворен и детерминисан, сагледани су потенцијали фази моделске технике, постављен је процесни алгоритам чишћења угља у аутогеној суспензији, развијен структурни и фази модел за подршку одлучивању и управљању процесом чишћења угља. • У оквиру примењених истраживања на примеру постројења за чишћење угља површинског копа „Богутово село“ Рудника и термоелектране Угљевик, изведена су тестирања, практичне провере и метрична тумачења резултата симулације на фази моделу. Методологија истраживања: Методологија истраживања прилагођена је теми, програму и циљевима истраживања у оквиру дисертације, а базирана је на аналитичко-теоријским и инжењерско-прагматичним приступима. У том смислу она обједињава: литературна и сопствена аналитичка истраживања и сазнања, постављање концепције и развој фази модела за подршку одлучивању, естимацију што мањег броја параметара модела и проверу практичне применљивости модела. Структура дисертације: Дисертација има 117 страна, састоји се из 9 поглавља (Увод, Карактеристике процеса чишћења угља, Системски приступ у надзору и управљању рудничким производним процесима, Квантитативне методе у управљању процесима чишћења угља, Концепција и процесне примене фази логике, Поставка фази модела и експериментална тестирања, Запажања и предлог даљих истраживања, Закључак и Литературни извори). Садржи 56 слику и 12 табела. Као литераrурни извори послужили су изводи и текстови из 123 штампане библиоrрафске јединице и 44 електронске публикације расположивих преко Интернет адреса. 2.0 КАРАКТЕРИСТИКЕ ПРОЦЕСА ЧИШЋЕЊА УГЉА 2.1 Увод Стални раст и развој индустријске производње наметнуо је потребу за све већом потрошњом енергије, у склопу овог тренда и све већих потреба за угљем. Највећи део произведеног угља користи се за конверзију топлотне енергије у електричну у термоелектранама. Угаљ (ровни угаљ) произведен у рудницима са подземном или површинском експлоатацијом, садржи мању или већу количину онечишћења, а у гранулометријском погледу величина комада варира. Да би се побољшао квалитет угља, односно повећала топлотна моћ и смањио садржај штетних компоненти, угаљ се прерађује. Прерада угља подразумева просту или сложену механичку и термичку припрему угља за даљу употребу, или хемијско-технолошко оплемењивање угља. Док се у механичкој и термичкој припреми угља мења претежно гранулација комада, у хемијско-технолошком оплемењивању угља мења се гранулација, хемијски састав, па и агрегатно стање. Чишћење угља се врши на два основна начина: без употребе воде (суво) механичко чишћење и са употребом воде (мокро) механичко чишћење. 2.2. Поступци припреме (чишћења) ровног угља КРАТАК ОСВРТ НА ИСТОРИЈАТ Са чишћењем угља отпочело се крајем XIX века на антрацитима источне Пенсилваније. Опрема за чишћење угља у почетку је развијана у Европи (дробилице са ваљцима, различити уређаји за прање, ротирајућа (бубњаста) сита, клатни столови и сл.). Прво постројење за мокро чишћење угља почело је са радом 1892. У првој половини двадесетог века развијени су уређаји за суво чишћење, истовремено је побољшавано чишћење у мокрој средини (конусни уређај за чишћење у тешкој средини, машине таложнице, бубњасти уређаји за чишћење у тешкој средини). У другој половини XX века остварен је напредак пре свега у чишћењу ситних класа угља. Прво постројење са чишћењем у тешкој средини (као суспензоид је коришћен магнетит) отпочело је са радом педесетих година XX века [15]. У процес чишћења угља уведен је хидроциклон. Пораст потражње угља почетком седамдесетих довео је до повећања капацитета и модуларне организације постројења, чиме је функционална оперативност постројења побољшана. Током осамдесетих уводи се аутоматско управљање у постројења за чишћење угља. Први програмабилни логички контролер (eng. Programmable logic controller – PLC) инсталиран је у постројењу у Охају, чиме је омогућено да постројењем управља један оператер. Дошло је и до других побољшања са применом нових материјала у конструкцији уређаја, са увођењем колона флотацијске ћелије и сл. Деведесетих година производња угља је консолидована, дошло је до затварања мањих рудника, до извесног пада квалитета ровног угља, погоршања експлоатационих услова у лежиштима, и, занимљиво, до стагнације развоја постројења за чишћење. Данас у постројењима за чишћење угља доминирају циклони, спирални концентратори и флотацијске машине [15]. ПРИКАЗИ ОСНОВНИХ ПОСТУПАКА ЧИШЋЕЊА Данас, са применом крупне механизације у процесу експлоатације угља, неселективан рад, литолошка структура лежишта и друге особености радне средине, утичу на садржај пепела у ровном угљу и на ограничење употребе угља. Крупна механизација у експлоатацији повећава удео ситних класа у ровном угљу, што ствара тешкоће у пласману. Ови и други чиниоци утицали су на истицање захтева о потреби чишћења ровног угља. Постоји више поступака чишћења угља, издвајају се три основне групе: 1. Једноставни поступци чишћења ровног угља који обухватају просејавање (класирање) са или без дробљења и ручног одабирања; 2. Поступци припреме (чишћења) ровног угља, који се заснивају на принципима гравитацијске концентрације; 3. Поступци припреме (чишћења) угља применом флотацијске концентрације. У свим овим поступцима настоји се, да се добију производи са што нижим садржајем пепела и осталих штетних компонената, повећаном топлотном моћи и што већим тежинским искоришћењем финалног производа. Поред ових поступака чишћења угља, постоје и поступци, који побољшавају квалитет угља, то су: - сушење, - брикетирање, и - коксовање угља. Уколико се из ровног угља, лошијег квалитета, издваја угаљ са ниским садржајем пепела и већом употребном вредношћу, угаљ се подвргава поступцима припреме и чишћења. Чишћење ровног угља, засновано на принципима гравитацијске концентрације, обухвата више поступака зависно од средине у којој се одвија чишћење, то може бити: вода, тешка средина (суспензија) и ваздух. Подела се изводи и према крупноћи комада угља на крупне или ситне класе, према уређајима у којима се поступак одвија, и сл. Чишћење угља у води: Најстарији, и најчешће примењиван поступак чишћења угља у води почива на принципу таложења. Чишћење угља таложењем у индустријским условима почиње крајем 19. века са циљем добијања чистог угља за коксовање. Чишћење угља у машинама таложницама, иако представља стари поступак, стално је усавршаван те се и данас успешно примењује за чишћење угља крупних и ситних класа. Увођењем нових конструкционих решења и применом аутоматских регулатора за пуњење и пражњење, као и неким другим побољшањима на машина таложница, поступак се примењује успешно и код угљева, који спадају у групу тешко чистљивих. Чишћење угља врши се успешно на класама крупноће између 250 и 0,5 (mm). Приликом чишћења угља на овај начин, могуће је издвојити 2, 3 или 4 производа, што зависи од броја комора машина таложница повезаних у серију. У индустријским процесима чишћења угља најчешће се употребљавају клипне и пулсирајуће машине таложнице. Ове последње су погодније због тога што се у њима може успешно аутоматски регулисати већи број радних параметара. Независно од типа машине таложнице, оне се, према класама крупноће угља сврставају у једну од група: - машине таложнице за крупне класе између 120 и 10 (mm), - машине таложнице за ситне класе између 10 и 1 (mm), - машине таложнице за угљени муљ између 1 и 0,5 (mm). Наведени распони крупноће су оквирни параметри који, зависно од конструкције машина таложница и карактеристика угља могу бити померени, како у погледу горње граничне, тако и у доње граничне крупноће. Потврда томе је чињеница да се успешно чисте класе ровног угља и до 250 (mm). У првој фази процеса чишћења угља у таложницама изводи се уситњавање уколико је неопходно због природних својстава ровног угља или уколико је крупноћа комада ровног угља таква да угаљ не може бити успешно третиран. После дробљења нужно је угаљ класирати у две основне класе крупноће: класу крупноће у чијем распону је могуће применити чишћење у машини таложници, и класу крупноће која се, као врло ситна, одсејава. Прву класу која улази у даљи процес чишћења потребно је уже класирати, ради бољег и потпунијег чишћења, оштрине раслојавања, бољег искоришћења, већег искоришћења капацитета таложнице и др. Свака класа се посебно чисти. Својства ровног угља, у првом реду, утичу на број производа гравитацијске концентрације, и у принципу процеси су тако подешени да се издвајају 3 производа: чист угаљ (ЧУ), међупроизвод (М) и јаловина (Ј). При томе међупроизвод крупније класе +10 (mm) допунски се дроби ради даљег третирања. Овакви поступци чишћења нарочито су примењени код камених и старијих мрких угљева. Код млађих угљева – лигнита, издвајање међупроизвода нема економског оправдања. Чишћење угља у тешкој средини: Чишћење угља у суспензији (тешкој средини) представља са индустријског гледишта, најприхватљивији поступак са максималним технолошким резултатима и најповољнијом оштрином одвајања. Овај поступак гравитацијске концентрације, користи се у припреми минералних сировина преко 100 година. Први патент за гравитацијску концентрацију у тешкој средини са применом раствора Fe, Ba, Ca, Zn и Mg – хлорида, пријављен је 1858. Поступак који уместо тешких течности користи суспензију „мешавину воде и песка“, као средину за раслојавање у процесу гравитацијске концентрације патентиран је 1917. Прво постројење по овом принципу изграђено је 1921. Магнетит као суспензоид примењен је први пут 1922. Касније се започело коришћење суспензоида глине, пирита, барита, галенита, феросилицијума, као засебних суспензоида или као суспензоида у међусобној мешавини. Усавршавање постојећих и конструисање нових уређаја за гравитацијску концентрацију у суспензији, утицало је да данас у индустријским применама има већи број различитих типова уређаја. Сва конструктивна решења или побољшања тежила су ка једном, да се у индустријским условима оствари максимална оштрина раслојавања и повољнији технолошки резултати. Уобичајена подела индустријског чишћења угља у суспензији своди се на: - Поступке за чишћење крупних класа; и - Поступке за чишћење ситних класа Сматра се да су оптималне крупноће чишћења угља у суспензији, између 250 и 0,5 (mm), међутим, конструисани су и у пракси успешно примењени уређаји за третирање угља ггк 400 (mm). Извршена индустријска испитивања показују да је за исти угаљ, применом уређаја са суспензијом, могуће постићи веће искоришћење за 1-2 (%) у односу на машине таложнице, и да се повећа оштрина издвајања. Чишћење угља у тешкој средини дало је посебно боље резултате код угљева, који се „тешко чисте“, па је значајан број постројења са машинама таложницама преиначен у уређаје са суспензијом. Чишћење у суспензији показало се и веома прилагодљивим на промене састава улазне сировине, без значајнијих осцилација на излазу. Чишћење угља у суспензији није могуће за класе испод 0,5 (mm). С обзиром на могућност онечишћавања суспензије муљевитим фракцијама из угља, или најситнијим класама угља, неопходно је припремно класирање угља за процес чишћења мокрим просијавањем. Граница раслојавања на крупне и ситне класе за процес чишћења у суспензији креће се око 10(8) (mm). Сагласно овоме класе +10(8) mm сматрају се крупним а све испод ситним. Као у процесима чишћења угља у машинама таложницама, и у процесима чишћења у суспензији остварује се издвајање више производа, свакако у условима различитих густина. У принципу примењују два основна приступа: - Први, код којег се при малој густини тежини издваја чист угаљ, а остатак накнадно чисти у средини са већом густином тежином и издвајају међупроизвод и јаловина; и - Други, код којег се прво у условима веће густине издваја јаловина, а остатак потом третира у условима мање густине и добија чист угаљ и међупроизвод. Избор једног или другог приступа чишћења зависи од карактеристика ровног угља. И у процесима чишћења у суспензији, после издвајања међупроизвода се угаљ допунски дроби, и затим чисти. Данас око 90 (%) постројења за чишћење ровног угља у суспензији користи магнетит као суспензоид. Разлог овоме је повољна густина магнетита, могућност његове успешне и једноставне регенерације, и друга повољна својства магнетита као суспензоида. Кварцни песак као суспензоид има повољност у примени због ниске цене, то је истовремено и разлог да се он не регенерише. Поједина постројења користе пирит, уз додатак глиновитих компонената за формирање тешке средине. Међутим, примена пиритне суспензије се не сматра погодном, пошто при прању суспензоида са очишћеног угља постоји могућност заостајања извесних количина пирита и повећаног емитовања сумпора приликом сагоревања угља. Поред тога регенерација пирита је тежа и скупља но што је то случај са магнетитом као суспензоидом. Потрошња суспензоида у процесу чишћења угља креће се у границама: - Потрошња магнетита је 300-600 (g/t), код савремених уређаја и погодних угљева, потрошња је 200-300 (g/t), код ситних класа и до 1.000 (g/t), - Утрошак барита је нешто већи и износи око 1.000 (g/t) за крупне класе, - Утрошак кварцног песка се креће између 1.500 и 2.000 (g/t), а може достићи и 3.000 (g/t) када нема регенерације. Дакле, чишћење ровног угља гравитацијском концентрацијом, једнако је могуће у флуиду вода, и у флуиду тешка средина. Карактеристике појединих угљева, и неки други технички захтеви могу условити да се у технолошком процесу користе оба поступка чишћења, у машинама таложницама, и у суспензији. У таквим случајевима чишћење крупних, или ситних класа изводи се у машинама таложницама или у суспензији зависно од понашања одређене класе угља при једном или другом процесу. Другим речима угаљ оне класе крупноће који се теже чисти и захтева селективнији поступак, третира се у уређајима са суспензијом. Са техничко-економског аспекта чишћење угља у суспензији је применљивије за веће капацитете, те и овај моменат утиче на одлуку која ће класа бити чишћена којим поступком. Увођењем комбинованог поступка чишћења ровног угља вода- суспензија. остварују се и одређени економски ефекти. Онај део ровног угља који се лакше чисти третира се јефтинијим поступком у машинама таложницама. Комбиновани поступци чишћења ровног угља користе се данас у многим постројењима. Чишћење угља гравитацијском концентрацијом у техничком и економском погледу представља врло прихватљив индустријски поступак. Аргументи који потврђују ову оцену су бројни, а најзначајнији су: 1. Остваривање задовољавајуће високог степена искоришћења; 2. Остваривање високе селективности односно оштрог раздвајања фракција; 3. Висок удео крупнијих класа, које имају већу тржишну вредност и широку примену; 4. Добијање бољег сортимана чистог угља са ниским садржајем пепела, уз издвајање међупроизвода, погодног за сагоревање у котловима топлана и термоелектрана; 5. Ниски производни трошкови; Чишћење угља у аутогеној суспензији: Према [44], примарни феномен који се дешава у уређају за чишћење угља у аутогеној суспензији је стратификација. При покрету зрна, долази до њихове стратификације, при чему теже честице падају на дно, а лакше имају тенденцију пливања. Конструкција оваквих уређаја тако је конципирана да подстиче брзу и ефикасну стратификацију. Чишћење угља премаParnabyпоступку разликује се од чишћења угља у тешкој средини у другим бубњастим уређајима. Технологију је развио Derek Parnaby. Циклус чишћења састоји се у чишћењу крупних класа у бубњастом уређају и једног или више циклона за чишћење ситних класа. Обично се бубњасти уређај, који се користи за чишћење ситних класа, назива „Parnaby“ бубањ. Бубањ је развијен на основама старијих уређаја једноставније конструкције – скрабера. У бубњу се не одвија раздвајање само према густини, већ се истовремено припрема смеша тешке средине (аутогене) и материјала за наредни степен концентрације у хоризонтално постављеним циклонима, где се аутогена средина припрема за поново чишћење у бубњу. Аутогена суспензија се у принципу састоји од угља класе крупноће -0,5 (mm), чиме се може остварити највећа густина 1,2-1,25 (t/m3). Услед динамичких ефеката у уређају је густина између 1,5 и 1,8 (t/m3). Предности процеса чишћења угља по поступку Parnabу односе се на: - Мале капиталне трошкове, - Мале трошкове одржавања, - Високу ефикасност, - Робусну модуларну конструкцију, - Мобилност постројења, - Асортиман производа и - Малу потрошњу енергије. Чишћење угља поступком флотацијске концентрације: Флотирање као поступак чишћења угља, примењује се као допунски поступак за валоризацију ситних класа угља, које се не могу успешно чистити гравитацијском концентрацијом. Флотацијска концентрација је ограничена на одређене врсте угљева и није применљива на млађе угљеве, у којима је задржана дрвенаста структура. Флотацијском концентрацијом се могу третирати мрки, камени и антрацитни угљеви. Мрки и антрацитни угљеви имају слична флотацијска својства, она су мање изражена него код камених угљева, који најбоље флотирају, али њихова флотабилност није уједначена пошто зависи од више чинилаца. 2.3 Контрола процеса чишћења угља Процеси контроле динамичких система, као што су системи за припрему минералних сировина су посебно сложени, пре свега због потребе праћења великог броја параметара. Контрола технолошког процеса и рада уређаја код чишћења угља, одвија се на начин као у највећем броју случајева код осталих минералних сировина, ширем смислу као код индустријских процеса. Извесне специфичности контроле проистичу из процесних разлога и карактеристика угља, што се успоставља мерења тежинског искоришћења, ровног угља и производа чишћења. Највеће количине угља чисте се поступцима гравитацијске концентрације, и свакако од технолошког и економског интереса је да се на постројењима за чишћење угља успостави контрола процеса чишћења (у односу на задати режим). У том смислу значајан је мониторинг следећих параметара: - Квалитет улазног (ровног) угља; - Стање радне средине; - Оштрина раздвајања; - Масени однос производа чишћења; - Утрошака нормативних материјала и енергије; - Капацитет система и сл. У суштини све полази од услова који би у процесу чишћења угља требало да се остваре на основу кривих чишћења, односно анализе плива-тоне (П- Т анализа). С обзиром да оштрина одражава стање процеса чишћења, контрола се успоставља преко криве подеоних бројева и израчунавања параметара оштрине раздвајања. Холандски истраживач K.F. Tromp развио је и предложио поступак, којим се утврђује оштрина раздвајања у процесу чишћења. Његов поступак је допуњаван, тако да данас имамо неколико параметара, који служе да се установи оштрина раздвајања у процесу гравитацијске концентрације. 2.4. Стање и развојна истраживања у области чишћења угља За многе развијене земље и бивше земље са планским економијама које су прошле фазу реструктуирања, дошло је до значајних промена деведесетих година двадесетог века у погледу структуре и финансирања институција које се баве истраживањем и развојем у области припреме/чишћења угља. Са приватизацијом у индустрији угља, велике истраживачке институције финансиране од стране држава су или затворене или је дошло до њиховог трансфера у приватни сектор. Насупрот овоме, у Кини, Русији, Индији, Бразилу и неким мањим земљама још увек раде велики истраживачки центри које финансира држава. Истраживања на пољу припреме угља претежно су комбиновано финансијски подржана, од стране влада, и преко комерцијалних уговора са индустријом. У неким земљама, постоје чисто комерцијални истраживачки центри, као што је JKMRC у Аустралији. Генерално тренд истраживања на овом пољу је у паду, највећи део истраживања и развоја односи се на непосредне захтеве произвођача угља који имају интереса због конјуктурности, испуњавања законских обавеза у погледу заштите животне средине и слично. Произвођачи опреме у свему овоме имају значајну улогу, пре свега због трансфера технологија из других индустријских области у област припреме угља. У том смислу истичемо примену хемијских адитива и флокуланата у одводњавању, опрему за просејавање угља и унапређене уређаје за чишћење ситних класа у тешкој средини. Припрема угља обухвата интеракцију широког спектра активности те се на тај начин истраживања и развој настављају у многим областима. Водеће теме истраживања које се издвајају када је реч о припреми/чишћењу угља односе се на: - Чишћење и одводњавање ситних и веома ситних класа угља, - Десулфуризација угља; - Суву валоризација угљева у областима где би испуштање воде проузроковало негативне последице по животну средину - Надзор и управљање, са посебним акцентом на развој сензора за праћење квалитета угља. Процеси чишћења угља у воденој и донекле тешкој средини, су математички и процесно релативно добро описани, међутим када је реч о сложеном систему аутогене суспензије, када је контрола густине суспензије отежана обзиром на сложену динамику флуида и технолошка решења, математички модели развијани од стране истраживача су углавном теоријског типа. У оквиру ове дисертације се, по први пут третира проблематика чишћења угља у аутогеној суспензији са аспекта развоја потпуног фази модела управља процесом и његове оптимизације, као и развија симулациони модел на основу кога је могуће развити систем за подршку доношењу одлука у вези са радом постројења. 3.0 СИСТЕМСКИ ПРИСТУП У НАДЗОРУ И УПРАВЉАЊУ РУДНИЧКИМ ПРОИЗВОДНИМ ПРОЦЕСИМА 3.1. Обележја рудничких производних процеса Свака научна теорија поседује структурне и семантичке аспекте. Структурни аспекти су формални и односе се на облике и узајамне односе изнетих поставки и тврдњи. Семантички аспекти су неформални и односе се на значење, важност и објашњење поставки и тврђења у контексту предметног проблема (М. Месаровић, 1972). У том смислу тумачење рудничког(их) производног(их) процеса, у принципу је идентично тумачењу сваког производног процеса, као низ активности изведених по одређеном поступку ради остваривања дефинисаног(их) циља(ева), освајања и добијања минералне(их) сировине(а), производње концентрата или финалних производа, нпр. грађевинских материјала (опека, цреп, цемент, …), пигмената и сл. Основне две одлике, односно два основна обележја рудничких производних процеса су: 1. Остваривање производње у условима ризика или неизвесности; 2. Вертикална хијерархијска структура са више нивоа и повратном спрегом. Остваривање производње у условима ризика претпоставља да се производња одвија у измењивим амбијенталним условима које је могуће дефинисати вероватноћом догађања. У случајевима када постоје ситуације (стања) које се не могу дефинисати вероватноћом догађања, већ се само зна да се могу десити, реч је о производном процесу који се одвија у условима неизвесности. Вертикална хијерархијска структура са више нивоа, може бити тополошки различито устројена, и она показује: хијерархијски распоред ентитета (подсистема) производног система, приоритетне односе и међузависности ентитета. Слика 3.1. Принципијелни алгоритам рудничког производног процеса. Повратна спрега, је својство које указује да је процес контролисан и вођен, и да су исходи, односно резултати процеса последице вођења производних и логистичких операција, слика 3.1. Ово се остварује мониторингом процесног тока, аквизицијом и анализом података из процеса, дијагнозом стања, доношењем одлука и корективним управљачким деловањем на процес, слика 3.2. У том смислу, дана се постављају строги захтеви у остваривању ефективности и ефикасности производње, заштите животне средине, сигурности рада, исплативости, тржишне одрживости и сл. Мониторинг, анализа и дијагноза, као и одлучивање и управљање одвијају се синхроно са процесом, слика 3.2, како би се остварила ефикасност корективног вођења процеса. Контрола процеса не започиње само физичким отпочињањем процеса, нити се завршава добијањем излазних резултата, она треба да пружи целовиту информативну слику о производном процесу, на основу које се, након анализе, могу остварити побољшања, детектовати прикривене грешке, празни ходови и слично у производном процесу. Бројни су чиниоци који утичу на рудничке производне процесе, они се разликују од рудника до рудника, али се могу генерализовати: - Расположива(е) минерална(е) сировина(е): квалитет (садржај корисне компоненте), минерална структура, геохемијске карактеристике и резерве; - Услови у радној средини: геолошка грађа лежишта, тектоника, инжењерско геолошки, хидрогеолошки и хидролошки услови у радној средини; - Окружујући слови и ограничења; - Еколошки услови и ограничења; - Људски ресурси, расположиви стручни кадрови свих образовних нивоа; - Тржишни услови; - Социјални аспекти (локалног, регионалног, или чак националног нивоа); - Привредно-економски услови, зависно од минералне сировине приоритетни значај могу имати локални, регионални, национални или светски; - Законски и нормативни услови и ограничења; - Могућности набавке капиталних машина и помоћне механизације; - Расположивост на тржишту потрошних материјала – материјала неопходних за одвијање процеса (експлозив, резервни делови и сл.); - Енергенти – потребни енергенти, токови и облици енергије; - Токови података и информација генерисаних у процесу; - Токови створене вредности – вредности настале производњом. Слика 3.2. Принципијелна шема надзорно-управљачког тока рудничког производног процеса. У структури рудничких система је у принципу више подсистема са интегрисаним функцијама, то су: производни подсистем(и) – експлоатациони и ПМС, логистички подсистем(и), пословни подсистем, [подсистем планирања - ERP], [подсистем контроле квалитета - ТQМ], подсистем оперативног и централног менаџмента. 3.2. Оптимално решење и оптимизација процеса Руднички производни процеси одвијају се под утицајем бројних и различитих унутар системских и екстерних фактора, у принципу променљивих у простору и времену. Број фактора, њихов степен утицаја на производни процес, природа и интензитет њихове променљивости, својствено је сваком рудничком систему, и у већој или мањој мери разликује се од рудника до рудника. Немогуће је уопштавање и генерализација законитости интерних и екстерних утицаја на производне процесе у рудницима. Не улазећи у детаљну анализу и аргументацију ове чињенице, може се констатовати да она усложњава проблем надзора и управљања производних процеса, и да је у његовом успешном решавању неопходна асистенција адекватних математичко-моделских алата. Математички модели који описују производне процесе су у принципу веома сложени, и могу бити постављени на принципима „тврдог”, „меког” или хибридног израчунавања. Слика 3.3. Оптимизациони приступи, а-оптимално решење, б-оптимално вођење процеса. Моделовање – односно формирање математичког модела, је процес током кога се својства система и ограничења, односно производног процеса, трансформисано приказују математичким формализмима. У том смислу, модел је опис својства и ограничења система, исказан математичким симболима, релацијама, логичким операцијама и графичким приказима. У оперативном смислу модели могу бити намењени за рад у проширеном или реалном времену, могу бити оптимизациони или модели за израчунавања и анализе. Код оптимизационих модела, треба разликовати моделе за израчунавања оптималних решења од моделе за оптимизацију процеса, односно оптимално вођење процеса. У првом случају, једнокритеријумском или вишекритеријумском анализом, за услове реалног проблема, дефинише (израчунава) се оптимално решење, у другом случају модел служи за праћење процеса и доношење одлука о његовој корекцији како би се одвијао по задатом (оптималном) режиму. На слици 3.3. илустративно је приказана разлика између ова два оптимизациона приступа. Свакако треба разликовати и трећу могућност употребе кључне речи оптимизација, то је случај када се „оптимизација процеса” не односи на вођење процеса по задатом оптималном режиму, већ на измене, реконструкције и сличне корективне активности у проширеном времену, којима се уносе промене у технолошки процес ради побољшања његових перформанси, нпр. смањење утрошка енергента, повећање производности система, смањење трошкова, скраћивање трајања оперативног циклуса и сл. 3.3. Претпоставке математичког представљања реалних процеса Претпоставка успешног моделовања рудничких производних процеса на интегралном или сегментном нивоу, подразумева аквизицију и обраду великог броја података у реалном времену и мултиваријабилност улаза и излаза система. Улазне променљиве имају различите утицаје на понашање система и одвијања процеса, могу бити интерактивно спрегнуте са тешко мерљивим међусобним везама и врло отежаном идентификацијом приоритета и рангова утицаја. Присутнe су још две отежавајуће околности, једна је да руднички процеси у принципу, имају нелинеарна својства, која су последица ограничења, засићења, реманенције или хистерезиса процесних променљивих. И друга, да су поремећајни спољни и интерни утицаји најчешће стохастичке природе, тешко предвидљиви. Све ово веома усложњава и отежава моделовање производних рудничких процеса конвенционалним математичким алатима, који у већини случајева почивају на претпоставци временске непроменљивости описних коефицијента и линеарности променљивих. Претпоставка о непроменљивости у времену није у сагласности са реалним рудничким процесима, без обзира што су то у принципу спори или веома спори процеси - промене се не дешавају у секундама, милисекундама и сл. Излазно решење проблема нуде математичко-моделски алати базирани на филозофији фази (fuzzy) логике, меког (sofctomputing ) израчунавања и на принципима трагања кроз податке (datmining ). На основу претходно изложеног, можемо закључити да примењени математичко-моделски приступ, у било којој конкретној ситуацији, мора задовољити следеће претпоставке: - Допустива променљивост у простору и времену свих параметара, а на располагању су преко система за аквизирање података, слика 3.1; - Улазни и излазни параметри различитих стања и процеса у систему, могу се описивати функцијама припадности фази скупова, нпр. на нормалне и поремећајне улазне параметре (којима одговара извесна дијагностика), итд.; - Контрола процеса се може успоставити према типу променљиве; - Руднички систем је у математичком смислу нелинеарни систем; - Процеси морају бити стабилни, са варијацијама контролисаних параметара у задатим граница, слика 3.3; - Улаз у процес или систем може бити скуп променљивих, које могу или не морају бити у експлицитној корелацији са излазима из процеса, слика 3.2; - Резултати излаза из модела и контролисани резултати из процеса могу имати извесно одступање (допуштена грешка); Претходни услови и ограничења нису превише стриктни, те их већина производних процеса у рударству испуњава. Трагање кроз податке фокусирано је на издвајање корисних података и информација које се крију у великом броју података, што је посебног значаја за имплементацију и експлоатацију математичких модела. Технологија трагања кроз податке развијена је на основу захтева и потреба пословних и производних система, и данас се успешно примењује у рударству, геологији и многим другим областима. Према типу расположивих информација, постоје три основна нивоа синтезе: 1. Бела кутија или модел првог нивоа. Потпуни механицистички модел формиран је на бази претходно стеченог знања и законитости из предметне области, а динамички модели формирају се на основу биланса масе, енергије и тока процеса. 2. Модел црне кутије или емпиријски модел. За формирање емпиријског модела није неопходно базно (претходно) знање. 3. Фази логички модел. Модел на бази правила која се могу интерпретирати говором, настао на расположивом експертском знању. Уколико постоји механицистичко (базно) знање, може се развити модел беле кутије, уколико су на располагању информације или експертска искуства, може се користити модел базиран на фази логици; уколико најзначајније информације потичу од улазних и излазних података прикупљених у процесу, прикладан је модел црне кутије. Модели црне кутије су од великог значаја када је потребан прецизан модел динамике производног процеса. Нелинеарно моделовање типа црне кутије је изазовно и изгледно поље истраживања. 3.4. Надзор и управљање рудничким процесима Ефикасни системи за надзор и управљање интегралним или сегментним рудничким процесима као што је чишћење угља, од кључног је значаја за остваривање очекиваних производних перформанси. Надзор и управљање може бити успостављено у проширеном или реалном времену. Нећемо се упуштати у аргументацију, али ћемо констатовати да је далеко делотворнији надзор и управљање у реалном времену. Широке су данас техничке и технолошке могућности надзора и управљања рудничких процеса у реалном времену, захваљујући развоју рачунарски интегрисаних технологија, комуникационих технологија и пре свега телеметријске опреме. Новија истраживање и развој у овој области обухватају рад на примени напредних система надзора и управљања развијених на основама фази логике и неуронских мрежа. Сагледавање данашњих примена надзорно-управљачких технологија у рударству и припреми минералних сировина, наводи на закључак да имплементација рачунарски подржаних система даљинског надзора и управљања у процесима чишћење угља варира и трендовски заостаје. У рударски развијеним земљама, аутоматска мерења успостављена су на око 90 (%) постројења, око 40 (%) користи уређаје за праћење садржаја пепела, а 35 (%) користи аутоматске узимаче узорака. Када је реч о управљању процесом, око 86 (%) постројења има инсталиране PLC (програмабилни логички контролер). У земљама у развоју, овај проценат је испод 20 (%). У већини постројења за чишћење угља, пројектованих и изграђених током последње деценије, још увек се паралелно користе ручни и аутоматски системи надзора и управљања. Тренд аутоматизације ових постројења је у успону, кључна ограничења су развој мерне и регулационе технике и опреме. 4.0. КВАНТИТАТИВНЕ МЕТОДЕ У УПРАВЉАЊУ ПРОЦЕСИМА ЧИШЋЕЊА УГЉА 4.1. Преглед примена квантитативних метода Постројења за чишћење угља у принципу раде са вишеструким циклусима чишћења класа одређених крупноћа ровног угља. Уобичајено се сматра да је циљ оптималног вођења рада постројења за чишћење угља, уједначавање квалитета финалних производа. Сматра се такође да се уједначавањем квалитета излазних класа угља, истовремено постижу максималне перформансе постројења у датим ограничавајућим условима. Уочљиво је да је овакав критеријумски приступ поједностављен и да не сагледава проблем оптимизације чишћења угља у целини. Тако нпр. позиције у процесу битне за подешавање рада постројења са аспекта побољшања квалитета у погледу садржају пепела, нису адекватне и за побољшања квалитета угља у погледу садржају сумпора. У зависности од распона крупноће ровног угља, у постројењима за чишћење примењују се три или четири појединачна циклуса у циљу чишћења целокупног распона. На пример, угаљ крупноће веће од 12,5 (mm) чистити се у тешкој средини, крупноће -12,5+1 (mm) у циклонима са тешком средином, -1+150 (µm) у спиралном концентратору и -150 (µm) флотацијском концентрацијом. Типично, мерило квалитета угља као што је садржај пепела, у сваком циклусу се одржава на приближно истом нивоу који одговара циљном садржају пепела у излазном угљу. Другим речима, уколико излазни угаљ треба да садржи 8 (%) пепела, технолошки услови свих циклуса подешавају се тако да садржај пепела у циклусу буде приближно 8 (%). Овакав приступ уједначавања квалитета угља по циклусима представља једноставно прагматично решење погодно за испуњавање уговорених спецификација, али он не гарантује максимално искоришћење постројења. Концепт прираштаја квалитета угља често се користи за максимизацију добити остварене радом постројења за чишћење у датим условима. По дефиницији, прираштај квалитета угља односи се на квалитет најмање чистог комада (зрна) у било којој класи излазног угља, а просечан квалитет угља односи се на укупан квалитет композитног угља на излазу. Бројна су истраживања реализована на ову тему. Sarkar је са сарадницима (1960) предложио графички приступ за максимизацију искоришћења чишћења угља са аспекта садржаја пепела. Предложили су да чишћење крупнијих класа угља са већим садржајем пепела и ситнијих класа са нижим садржајем пепела, резултује максималним искоришћењем уз уважавање ограничења. Слика 4.1. Веза између специфичне тежине и садржаја пепела за различите класе крупноће ровног угља (према Luttrell A., 2003,2004) Walters и Ramani (1976) развили су рачунарски подржан оптимизациони модел постројења за чишћење, према коме се густина раздвајања ситнијих класа угља држи константном, док се густина раздвајања крупних класа повећава до достизања жељеног квалитета излазног угља. Abott (1982) је извео једначину којом доказује да се максимални профит за мешани угаљ из два одвојена процеса чишћења, остварују када су прираштаји квалитета по основи садржаја пепела за оба чиста угља еквивалентни. Salama (1986, 1991 и 1998) и King (1999) развили су графичке и нумеричке технике којим се оптимизира искоришћење постројења за задати квалитет излазног угља. У принципу графичке методе су засноване на Majerovoj кривој (M – крива), утврђивања оптималне тачке раздвајања. Тако нпр., Rayner (1987) користи М – криву, при максимизацији искоришћења рада постројења према критеријуму садржаја пепела. Romberg (1990) је развио оптимизациони софтвер COALTROL на основи М – крива са истим циљем. Графички приступи имају ограничену примену са порастом броја циклуса чишћења. Слика 4.2. Максимизиранаискоришћењапостројењедобијенаоптимизациониммоделом. (према Honaker, 1997) Salama (1986) је математички дефинисао везу између уједначавања квалитета излазног угља (садржај пепела) и оптималног искоришћења. Lyman (1993) је развио нумерички модел квалитета излазног угља и максимизације искоришћења постројења за чишћење угља. Salama и Mikhail (1994) развили су симулациони модел за максимизацију искоришћења постројења на основу садржаја пепела. Користећи Лагранжов полином Sen и сарадници (1994) су поставили математичко решење чишћења угља из више извора и дошли до закључка којим се потврђује веза између уједначавања прираштаја квалитета излазног угља и оптималног искоришћења постројења. Luttrell и сарадници (2003, 2004) дошли су до сличног закључка. Указујући на непосредну везу између садржаја пепела у комаду угља и густине, тврде да се перформансе постројења могу оптимизовати радом постројења на истој оштрини раслојавања. На графику приказаном на слици 4.1, уочљива је корелација између садржаја пепела и густине, а расипање података може бити резултат варирања садржаја пепела у угљу. Приметно је да се у готово свим истраживањима дискутује оптимизација рада постројења са једним ограничењем квалитета излазног угља. Изузетак су Honaker и његови сарадници (1997), они су извели анализу вишеструких ограничења квалитета излазног угља, на бази садржаја пепела, сумпора и елемената у трагу у сукцесији. Међутим, није представљен погодан метод за максимизацију искоришћења постројења уз испуњење вишеструких ограничења везаних за квалитет угља, као што је приказано на графикону на слици 4.2. На основу ових графикона чини се да су максимизиране вредности искоришћења утврђене уједначавањем садржаја пепела у појединим циклусима у постројењу, затим утврђивањем просечног садржаја пепела и сумпора у угљу на прелазним технолошким тачкама. Ова студија истражује оптимизацију рада постројења за чишћење са вишеструким ограничењима квалитета угља. На крају студије констатује се неопходност развоја бољег приступа за оптимизацију искоришћења постројења, у условима вишекритеријумских ограничења квалитета угља. У свом раду Erik и Yilmaz [25] приказали су поступак предвиђања топлотне моћи угљева на основу анализа које се ослањају на традиционалне статистичке методе (вишеструка регресија) и две технике меког рачунања (вештачке неуронске мреже и адаптивни неуро-фази систем закључивања), као и поређење модела са аспекта потенцијала за предвиђање. Истраживање је изведено на 74 узорка прикупљених са различитих локација у Турској. Параметри су корелисани са утврђеном топлотном моћи угља, а затим су одабрани према статистичкој значајности. У циљу развоја предиктивних модела, коришћене су методе меког рачунања и статистичке методе, а затим су анализиране перформансе са аспекта предвиђања. Поређење перформанси показало је да су технике меког рачунања добри алати за минимизирање неизвесности и њихово коришћење омогућава развој нових приступа и методологија и минимизира потенцијалну неконзистентност корелација. Према Carniatu и Camponogari [14], планирање операција у рудницима јужног Бразила, планирање радова извршавају искусни инжењери и техничари, али на бази ad hoc правила која обухватају планирање откопавања, дробљење, складиштење, чишћење угља, транспорт и добијање мешавина одређеног квалитета, према спецификацијама купца. Непостојање квантитативних модела који би интегрисали све стадијуме планирања, који су одговорни за узимање у обзир неизвесности и доводи до повећања трошкова услед прекомерне потрошње електричне енергије, повећане цене рада радне снаге током слободних дана и неадекватног одржавања опреме. Са овим циљем, у раду је предложен модел планирања операција у рударским компанијама који интегрише све стадијуме производног процеса, од откопавања до мешања угљева. Модел разматра неизвесности и може се користити у различитим временским интервалима у радном оквиру покретног хоризонта, чиме се повећава ниво аутоматизованости, смањују трошкови и омогућује ефикаснија реакција рударских компанија на неизвесности [14]. Према Baadeu [4], користи од различитих напредних методологија у контроли процеса су добро документоване и обухватају безбеднији рад, смањење утицаја на животну средину, унапређење ефикасности, квалитета и капацитета. Бројне су примене ових техника у петрохемији, преради нафте и гаса, припреми минералних сировина. Међутим, примена ових техника је спора у припреми, односно чишћењу угља. Варијабилност улазних количина у постројење и квалитета угља у лежишту често резултира проблемима када је реч о остваривању потребног капацитета и жељеног квалитета. Пошто се пројектовање постројења обично врши при просечним вредностима капацитета и квалитета ровног угља, а како се квалитет ровног угља мења (већи или мањи садржај пепела, ситних класа, итд.), оператери у постројењу и на управљачком систему морају извршити одређене компензације [4]. У овом раду се описује примена иновативног приступа унапређењу процеса уз помоћ софтвера за моделовање развијеног у Аустралији, чиме је остварено унапређење управљања процесом, односно повећање искоришћења угља и смањење потрошње воде у постројењима за припрему, односно чишћење угља. У оваквим постројењима се обично годишње прераде милиони тона угља. Овако висок капацитет значи да постоји знатан потенцијал за вишеструке економске и еколошке добити оптимизацијом главних управљачких циклуса и смањивањем варијација у процесу [4]. Дакле, сврха система управљања у постројењима са тешком средином је управљање тешком средином, обзиром да је остваривање сталне густине предуслов за ефикасно одвајање угља од јаловог материјала. Што је ефикасније одв,ајање угља од јаловог материјала, бољи је квалитет угља и његово искоришћење [4]. Korte [45] је са сарадницима истраживао примену циклона за чишћење у тешкој средини. Циклони за рад се тешком средином развијени су у Холандији четрдесетих година двадесетог века. Циклони се примењују у припреми дијаманата, руда гвожђа, хрома и, у највећем обиму у чишћењу угља. Од технолошких параметара који утичу на перформансе постројења, а који се могу варирати у циљу одржавања стабилности процеса, повећања капацитета и перформанси постројења, аутори посебно издвајају: - Димензије циклона; - Преломна крупноћа (енгл. breakaway size), односно крупноћа испод које ефикасност раздвајања нагло опада и разлика у густини раздвајања услед промене ефикасности; - Радне карактеристике тешке средине (стабилност, гранулометријски састав и вискозност); - Контрола процеса одвајања, односно контрола капацитета појединачних циклона у батерији и контрола једнакости густина раздвајања у циклонима; - Притисак на улаз у циклон [45]. У свом, са теоријског аспекта, интересантном раду, Firth [26] даје детаљан приказ параметара циклона када је реч о примени за чишћење угља у тешкој средини. Циклон за чишћење угља у тешкој средини је најзначајнији уређај у постројењима за чишћење угља. Имајући у виду тржишне цене и количине угља које се прераде, милијарде долара у облику ровног угља се прераде годишње у постројењима са овим уређајем за чишћење угља. Стога је мониторинг и управљање циклусима чишћења угља у овим условима од критичног значаја за финансијске перформансе целог рудника угља. Кључни параметри су капацитет, искоришћење и квалитет угља. Нажалост, жеља за повећањем капацитета компромитује искоришћење и квалитет. У овом раду, анализирана је узрочно-последична веза између пројекта и фактора управљања, као и фактора који описују перформансе циклона за чишћење угља у тешкој средини, густине и ефикасност одвајања, као и мере (које се тренутно предузимају и потенцијалне будуће мере) које би омогућиле унапређење управљања радом овог уређаја. Због утицаја високог капацитета ровног угља на перформансе, акценат је на разматрању количине чврсте фазе на улазу у циклон и количине материјала која излази кроз отвор за песак и преливну цев. Firth [26] предлаже следећу хијерархију фактора који утичу на перформансе циклона за чишћење у тешкој средини: 1) Конструктивни фактори: - Пречник циклона (mm), - Ефективни пречник улазне цеви циклона (mm) - Пречник преливне цеви (mm) - Пречник отвора за песак (mm) 2) Контролни фактори (могу се варирати релативно једноставно у кратком временском периоду) - Притисак на улазној цеви (kPa) - Релативна густина средине у улазној струји - Садржај чврсте фазе веће крупноће у улазу (t/h) 3) Могућност ровног угља за чишћење (густина и гранулометријски састав); може представљати процену количине ровног угља који ће се наћи у песку циклона 4) Лимитирајући оперативни фактори – сматра се да носе информације од великог значаја за ефикасан рад циклуса са циклонима - Запремински капацитет циклона (m3/h); - Однос медија и угља; - Запреминска количина крупних честица у песку (m3/h). - Запреминска количина крупних честица у преливу (m3/h). 5) Фактори механике флуида – група фактора која дефинише радну средину циклона са аспекта механике флуида и одређује вредности фактора који описују значајне карактеристике те средине. - Процентуални запремински удео улазног материјала који се нађе у преливу; - Густина средине у преливу; - Густина средине у песку; - Разлика у густини средине између песка и прелива. 6) Фактори перформанси – фактори који описују процес раздвајања. У циљу сумирања информације, густине раздвајања и оштрина раздвајања дате су за честице + и – 4 (mm). Њихове вредности могу помоћи бољем разумевању квалитета процеса раздвајања. - Релативна густина материјала крупноће +4 (mm); - Разлика између густине сепарације крупних честица и улазне густине средине; - Релативна густина материјала крупноће -4 (mm); - Ефикасност раздвајања материјала крупноће +4 (mm); - Ефикасност раздвајања материјала крупноће -4 (mm). Постоји читав низ фактора које је потребно пратити у постројењима за чишћење угља код улазних сировина које имају смањену способност за чишћење и који се могу користити у процесу унапређења управљања системима у којима се примењују циклони за чишћење угља у тешкој средини. Потребно је развити и доказати ефикасност техника којима се обезбеђује довољни ниво поузданости како би се установила следећа генерација управљања циклуса са циклонима за чишћење угља у тешкој средини [26]. Према Rajamani-ју [70], читав низ емпиријских модела се користи када је реч о циклону за чишћење угља у тешкој средини, а током последњих неколико година у овом пољу се у све већој мери примењују технике рачунске динамике флуида. Примена ове дисциплине остварена је захваљујући својствима тешке средине, која представља центрифугално поље у оквиру тела циклона. Честице угља деле ово тело на зоне услед различитих сила које делују на њих. У примеру примене ове технике, аутори су решавали проблем турбуленције у циклону за чишћење угља у тешкој средини пречника 76 (mm). У симулацији су вариране вредности улазне цеви и отвора за песак и поређене са експерименталним подацима. Добијени су поуздани резултати када је реч о густини раздвајања и углу кривих дистрибуције [70]. Chen и сарадници [18] су истраживали ток материјала у циклонима за чишћење угља у тешкој средини. Токови материјала су сложени због вртложних турбуленција, ваздушног језгра и сегрегације и међуфазног система који је карактерише. Према Chen-у, експерименталне технике су примењиване у покушају да се проучи ток материјала у циклонима, али су се оне показале технички тешко изводљивим и скупим. Због тога су се произвођачи и истраживачи углавном ослањали на емпиријске једначине за предвиђање перформанси циклона за рад у тешкој средини. Међутим, услед ограничења изазваних примењеним техникама и околностима, претходни емпиријски рад је био ограничен феноменолошким описима који су ретко залазили у физичке, основне процесе (интеракције честице - честице, честице – течна фаза и чврсто-уређај). Услед тога, није остварен знатнији напредак у разумевању основа рада циклона у различитим условима, тачније ограничења која проистичу из емпиријске природе модела су увек узимана у обзир. На пример, познато је да се емпиријске једначине могу користити само у оквиру екстремних вредности експерименталних података помоћу којих су утврђени параметри модела. Посебно је потребно обратити пажњу на коришћење модела за предвиђање перформанси у различитим радним условима или комбинацији различитих услова који се налазе изван граница датих оквирима базе података на основу које је модел развијен [18]. Слика 4.3. Стратегија развоја модела циклона за чишћење угља у тешкој средини (према Chen et al., 2012) У складу са трендом развоја рачунарских технологија, током последњих неколико година било је више покушаја развоја математичког модела на бази тока: симулационе технике употребом рачунске динамике флуида или метода дискретног елемента, или Лагранжовог модела праћења честице и сл. На основама стратегије, слика 4.3, развијен је модел заснован на рачунској динамици флуида и симулационим подацима система рачунске динамике флуида и методе дискретног елемента. Валидација модела је урађена према подацима из постројења и доступне литературе. Модел описује перформансе циклона као функцију већег броја променљивих из области геометрије циклона, радних услова и својстава сировине на једноставан и економичан начин са одговарајућом прецизношћу. За разлику од емпиријских модела, предложени модел заснован је на резултатима генерисаним из математичких модела који омогућавају спровођење контролисаних нумеричких експеримената [18]. У постројењима за чишћење угља у последњих десет година постоји тенденција увођења сложенијих управљачких процедура. Максимизација искоришћења или оптимизација укупних економских перформанси постројења тренутно представљају два водећа задатка управљачког система. Дизајн управљачких система подразумева темељно разумевање целог технолошког процеса, његова својства и интеракцију између опреме у постројењу. Рачунарска симулација представља погодно средство за дизајн и евалуацију сложених система. У раду „Симулација процеса припреме угља – статички и динамички модели“, Cierpisz представља рачунарски симулациони програм за анализу процеса чишћења угља и управљање овим процесима. Коришћени софтверски пакет обухвата оптимизационе процедуре за одговарајући избор технолошких параметара (тј. густина раздвајања, отвор сита, однос маса). Такође, програм омогућава евалуацију ефеката рада сложених управљачких система и анализу различитих алгоритама. Поред тога, у раду је представљен динамички симулациони модел који се може користити за анализу стања у различитим местима у процесу. Основни модули су моделирани употребом статичких и динамичких својстава. Статичка својства односе се на могућност угља за чишћење исказану табеларну, криве раздвајања за уређаје и параметре квалитета производа (искоришћење/пепео) у функцији управљачких сигнала. Динамичка својства представљена су временским константама и кашњењима у раду уређаја, кашњењима у транспорту и мешањем угљева у бункерима [19]. На слици 4.4. приказан је структура програма симулације. Слика 4.4. Структура симулационог процеса (према Cierpisz S., 2003) Рачунарска симулација динамике целог постројења представља погодан алат за анализу стања у сложеним технолошким системима, предвиђање хитних ситуација у постројењу или унапређење пројекта управљачког система. Рачунарске симулације се још увек не користе у знатнијем обиму јер процеси и променљивост карактеристика улаза чине конструкцију одговарајућег модела тешком. Евалуација ефекта промене оперативних параметара на перформансе постројења за чишћење угља се конвенционално врши директним поређењем просечних искоришћења чистог угља добијених под редовним и тест условима. Mukherjee и Chandra [64] у свом раду илуструју како симплицистичке аналитичке методе могу често бити погрешне и наводити на нетачне закључке. Други метод анализе обухвата поређење два скупа података на основу ефикасности раздвајања, али метод није ефикасан у индустријским условима где флуктуације неколицине процесних променљивих воде ка генерисању шума. У раду се предлаже статистички робустан метод, са једноставним линеарним везама између резултујућих и независних променљивих у редовним и тест условима. За разлику од других метода, овде је утицај променљивих које нису од суштинског значаја за сам процес још мањи и самим тим модел поузданији. Предвиђено је да се предложени метод изводи у три степена: - Тестирати податке ради потврде да оба скупа података припадају истој популацији и да је самим тим поређење скупова статистички прихватљиво; - Претпоставити да су праве које дефинишу искоришћење и садржај пепела за редовне и тест услове паралелне (тестирати анализом коваријансе) и - Израчунати разлику између линија регресије. Предност предложеног метода је да приступ не захтева посебан дизајн експеримената, може се користити ретроактивно и не ограничава анализу на секвенцијалне податке. Главни недостатак метода је да захтева велики број података у поређењу са формалним експериментима [64]. Према Yangu [116], технике у области аутоматског управљања које се користе у рудницима угља знатно се усложњавају за ситне класе угља, испод 1 (mm). Валоризација ситних честица угља (испод 1 mm) постаје све сложенији проблем. Обично се валоризација врши у процесу флотирања или гравитацијске концентрације уз помоћ циклона за чишћење у тешкој средини, циклона који раде у води, клатних столова и спиралних концентратора. Генерално, процес флотирања је метод који је још увек најраспрострањенији за класе крупноће -0,50 (mm) или -0,25 (mm), док се процеси гравитацијске концентрације примењују за класе +0,50 (mm). У раду се предлаже нови гравитацијско-флотацијски сепаратор са пражњењем двоструке јаловине. У уређају се интегришу флотација и класификација, а циклони се користе као контролни уређаји. Ови уређаји остварују добре перформансе када је реч о валоризацији за ситне класе угља, испод 1 (mm), са 41,64 (%) чистог угља који садржи 10.46 (%) пепела. Из уређаја се ситне и крупне класе јаловине празне одвојено, чиме се избегава претерано третирање ситних честица са високим садржајем пепела у контролном циклусу и врши повратак крупних честица са високим садржајем пепела у колона флотацијску ћелију [116]. 4.2. Преглед примена фази приступа У свом раду „Дизајн интелитенгних система лингвистичким једначинама“, Juuso [37] наводи да се у процесној индустрији, стручњаци налазе пред знатним изазовима, нарочито када је реч о конзистенцији производње високо квалитетних производа, ефикаснијем коришћењу енергије и сировина и стабилном раду постројења при различитим условима. Процеси су нелинеарни, сложени мултиваријабилни и високо интерактивни. Обично се променљиве значајне по квалитет производа могу оценити само на основу других мерених променљивих, али ограничења, односно физички лимити такође морају бити узети у обзир. Јача интеракција између процесних променљивих проузрокује интеракције између контролера. Различити временски интервали у великој мери зависе од оперативних услова и могу значајно ограничити перформансе па чак и дестабилизовати систем. У применама процесне контроле у реалном времену, неизвесност је неизбежна компонента [37]. Фази моделовање представља проширење техника оличених у експертским системима на системе оптерећене непрецизношћу и нејасноћама. Системи фази скупова представљају продужетак традиције физичког моделовања на бази разумевања понашања система. Фази модели се могу конструисати на основу података чиме се умањују последице проблема стицања знања. Користе се различите технике за „фитовање“ података са највећом могућом прецизношћу, али у већини случајева се не води довољно рачуна о интерпретацији резултата. Фази модели се такође могу сматрати једном врстом локалних приступа моделовању којима се покушава решавање сложеног проблема моделовања декомпозицијом у врћи број мањих проблема. Сви ови модели могу апроксимирати и статичке и динамичке линеарне системе [39]. У монографији „Практична примена рачунарске интелигенције у адаптивном управљању“, Karr [39] наводи да је моделе првог принципа тешко развити за реалне индустријске системе због сложености и само делимично познатих хемијских и физичких процеса који се одвијају у уређајима. У припреми минералних сировина, процесима се управља на нивоу испод оптималног, те развој поузданог рачунарског модела представља значајан корак ка оптимизацији процеса. Технике моделовања од посебног су значаја када је реч о унапређењу економских перформанси целокупног постројења. Фази управљачки системи и рачунарски фази модели представљају два задатка са истим или веома сличним решењем. У развоју система за управљање процесима, циљ је предузимање управљачких акција који ће ефикасно довести систем до жељеног стања. Ове акције засноване су на специфичним условима који владају у систему којим се управља. Када је реч о проблемима моделовања, циљ је предвидети стање скупа зависних променљивих на бази стања скупа независних променљивих. У оба случаја, циљ је развити фази модел који описује оптималну површину. У примени у управљању, ефикасно управљачко дејство је функција тренутног стања система. У примени у моделовању, зависне променљиве су функција независних променљивих. Код рачунарских модела заснованих на фази математици зависне променљиве у систему који се моделује се описују лингвистичким терминима као одређена функција независних променљивих. Код фази управљачких система, правила укључена у фази модел одговарају људском тумачењу. На овај начин, и фази контролери и фази модели описују директну везу између „улазних“ и „излазних“ променљивих користећи лингвистичка правила и функције припадности које дефинишу лингвистичке термине који се појављују у правилима [39]. Када је јасно да рачунарски модели дефинишу одређену површину као што то чине и контролери, кораци неопходни за развој фази рачунарског модела постају очигледни: 1. Утврдити променљиве стања и форсирајуће функције (променљиве које изазивају промене у окружењу у коме се врши моделовање). Ово су променљиве које представљају тренутно стање система и функције које се примењују на систем како би се изазвала промена у стању. 2. Утврдити нове променљиве стања које је потребно израчунати. Ово су променљиве које модел предвиђа. 3. Описати фази скупове променљивих за тренутне променљиве стања, функције и нове променљиве стања које треба предвидети. 4. Установити производна фази правила која покривају сва могућа стања која постоје у окружењу 5. Дефинисати фази функције припадности за све описне термине који се користе у фази правилима. 6. Применити производна фази правила узимањем тежинскoг просека акција које резултују из свих правила. Резултат је једна нумеричка (класична) вредност за сваку променљиву стања која се предлаже [39]. Према Budge [12] системи који се тренутно сматрају напредним обухватају логичке процедуре које се класификују у следећа два типа: 1. Фази логички системи 2. Системи са неуронским мрежама Обе врсте система користе се у сегментима постројења али ни један од њих није употребљен као основа за управљање целим постројењем за припрему минералних сировина. Фази логички системи представљају веома флексибилне статистичке системе који користе „експертски“ приступ решавању проблема кроз управљачку филозофију „АКО“ – „TАДА“. Моделовање се помоћу фази модела врши на подацима прикупљеним из процесних система без потребе за претходним разумевањем физике процеса. Модел користи дескриптивна правила и експлицитне функције припадности како би пружио нематематичку интерпретацију процесне опреме. У оквиру модела се користе алгоритми за избор правила и прецизно подешавање функција и на тај начин одређује коју акцију је потребно предузети. Фази логичко управљање користи вишеструке петље, чиме емулира управљање од стране људског оператера. Такође, могуће је укључити елемент који учи како би се реакције на промене у процесу такође промениле. Ово се остварује коришћењем старих података за промену алгоритама везаних за функције припадности. Ово су високо адаптивни управљачки системи са високом ефикасношћу за варијабилне процесне услове, знатно већом од стандардних PID петљи [12]. Неуронске мреже представљају нелинеарну технику математичког моделовања у којима се решавање проблема остварује преко рудиментарног модела људског мозга. Рад се заснива само на емпиријским подацима, не захтевају се алгоритми, па самим тим ни функције припадности. Као и код система са фази логиком, могу имати функцију учења, чиме се организација мреже и њене асоцијације могу прилагођавати. Неуронске мреже морају се тренирати тако што се хране улазним и излазним вредностима познатих процесних стања. На овај начин, симулира се људски ум са историјском референцом, што би било адекватно обуци. Из ових емпиријских података, мрежа установљава везу између различитих уноса и исхода на тај начин стварајући управљачку логику. Реч „логика“ треба користити опрезно пошто су неуронске мреже у пракси технологија „црне кутије“. Оне упркос томе представљају одрживу технику моделовања за сложене процесе, а како тачна динамика постројења није у потпуности позната, могу бити начин за управљање. Када се заврши фаза обуке, систем се може водити паралелно реалном индустријском процесу како би се утврдила поузданост израчунатих резултата. Обе врсте система управљања, са фази логиком и неуронским мрежама заузимаће у будућности високо место у индустријској пракси, са тенденцијом померања ка управљању „унапред“ (‘feed forward’), уместо повратног управљања (‘feed-back’), као и са проактивним уместо реактивним системима [12]. На слици 4.5 приказан је фази контролер хранилице за машину таложницу [17]. Излазна променљива је висина слоја јаловог материјала у таложници, улазне променљиве су: e - грешка висине слоја јаловине, ec - промена грешке, u - излазна варијација је (контролисани прираштај хранилице), ke kec и ku су фактори правила. Опсези варијетета е, ec и u су [-em, em], [-ecm, ecm] и [-um, um], универзум је [-ni, ni] (i=1,2,3), па је ke = n1/em, kec = n2/ecm, ku=um /n3. Лингвистичким променљивима е, ec, и u додељено је 7 обележје (од најнегативнијег до најпозитивнијег): 1. Веома негативно (ВН); 2. Средње негативно (СН); 3. Мало негативно (МН); 4. Нула (НУ); 5. Мало позитивно (МП); 6. Средње позитивно (СП); 7. Веома позитивно (ВП). Фази функције припадности променљивих е и ec су троугаоне, а последична променљива има јединствену вредност. Слика 4.5. Шема фази управљање храњењем угља машине таложнице. (према: Chang-Long et al., 2002) Фази правила закључивања установљена су на основу експертског знања и процедуре рада машине таложнице и приказана су у табели 4.1. Скуп од 49 правила закључивања приказаних у табели 4.1 може се изразити као: П1: ако е = ВН и ec = ВН, тада u = ВН П2: ако е = ВН и ec = СН, тада u = ВН … П49: ако е = ВП и ec = ВП, тада u = ВП Фази правила закључивања Табела 4.1. Као фази систем закључивања усвојен је једноставан систем. Како је исходишна функција припадности једновредносна, систем не захтева дефазификацију. За неке фази уносе (е, ec), срачунава се дејство i (i=1, 2, 3, …, n; где је n број правила) сваког правила закључивања уз помоћ оператора „min”: Где су: i(е) и i(ec) - опсег свих припадности за сва правила закључивања која одговарају е, ec. Тада се излаз може дефинисати као: Где је: ui - вредност исходишне фази промене. У процесу чишћења угља у машини таложници, уколико је угаљ квалитетан а количина јаловог материјала мала, укупни капацитет машине се може знатно повећати. Оператор машине подешава брзину храњења док она не досегне потребну вредност. Уколико је угаљ мање квалитетан, а количина јаловог материјала већа, гравитациони слој јаловог материјала се повећава, па оператер смањује долазну количину угља како би се задржали повољни услови за чишћење угља. 4.3. Кључна запажања Обједињени опречни тржишни захтеви за што јефтинијим и што квалитетнијим енергентом као што је угаљ са једне стране, а са друге стране све оштрији еколошки захтеви у погледу избалансираног (одрживог) развоја, стално побуђују и покрећу размишљања о унапређењима постојећих и развоју нових техничко-технолошких решења чишћења угља. У том креативном процесу, симбиозе идеја, звања и могућности, долази се до сазнања да за напредак и побољшања није довољан и исплатив само технички и технолошки помак. За померање напред неопходан је и напредак у развоју и имплементацији квантитативних логистичких алата за ефикасну подршку одлучивању и управљању процесима чишћења угља. У том смислу реализована су бројна истраживања о чему казују и кратки прикази појединих истраживања приказани у претходна два одељка. На основу изложеног и много обимнијих сазнања стечених у току реализације истраживања на овој дисертацији, може се извести генерализација закључака: Резултати до сада реализованих истраживања и примене квантитативних метода за подршку одлучивању и управљању процесима чишћења угља, нису у потпуности задовољавајући. То је последица сложености проблема која проистиче пре свега због стохастичке природе улазног ресурса, односно променљивости квалитативних параметара улазног угља. Делимично проблем лежи и у поједностављеном једнокритеријумском приступу у решавању задатка. Са развојем системских наука и метода операционих истраживања, пре свега метода вишекритеријумског одлучивања, створене су прикладније математичко-моделске основе за нове и ефикасније приступе у решавању предметних проблема. Слабо коришћење ових метода вероватно је последица њихове недовољне афирмисаности у рударству, посебно у припреми минералних сировина. Природа проблема чишћења угља, коју карактерише стохастична променљивост на улазу, недовољна дефинисаност, сложена мерљивост, флуидност услова и реманенција процеса чишћења угља, оријентишу новија истраживања ка фази логици. Ова истраживања су у повојној фази, а бројни проблеми и дилеме у вези имплементације фази логике у пракси су отворени. 5.0 КОНЦЕПЦИЈА И ПРОЦЕСНЕ ПРИМЕНЕ ФАЗИ ЛОГИКЕ 5.1. Уводне напомене Појам фази (енгл. fuzzy - расплинут, нејасан, неодређен) у математику и инжењерство увео је Лотфи Задех, који је у свом чувеном раду „Фази скупови" објављеном у часопису „Информација и контрола", 1965. изнео нову идеју о фази скуповима [119]. Фази теорија представља погодан математички приступ за третирање неизвесности, неодређености, нејасности, вишезначности, субјективности [78]. За разлику од класичне теорије скупова, фази теорија полази од става да не мора постојати потреба за прецизном дефинисаношћу припадности елемената скупа. Увођењем извесне непрецизности у том смислу, постиже се флексибилност (робусност) математичког приступа, што омогућава знатно једноставније моделовање комплексних реалних процеса и система. У реалним ситуацијама, често нема довољно прецизних података о процесу или стању система, што може бити последица пропуста, неодговорности, високих трошкова или сложености поступка мерења и аквизиције података. У сложеиим ситуацијама, прецизност може бити и нерационална у функционалном смислу [55,107]. На пример, податак да је густина пулпе у флотацијском постројењу 1,084 (kg/m3) је прецизан исказ, али и податак "пулпа је ретка" може бити довољан за предузимање одговарајуће акције. Према речима Задеха „Како сложеност система расте, способност да се донесу прецизни, а истовремено и значајни искази о његовом понашању опада док се не постигне праг иза којег прецизност и значајност не постану међусобно искључујући“ [119]. У теорији фази скупови, припадност елемента није једнозначна, допуштено је да елеменат припада посматраном скупу у већој или мањој мери. Зато се за сваки елемент дефинише „степен припадности“, који говори у којој мери елемент припада посматраном скупу. У претходном примеру, исказ „пулпа је ретка“ не прецизира густину пулпе, али када се дефинише граница изнад које је пулпа ретка и граница испод које је густа, артиљеријским језиком казано исказ „пулпа је ретка“ је уракљен, а математички са дефинисаним опсегом „растегљивости” појашњен. Фази логика у последње три деценије, као алтернатива бинарној логици, има све већу практичну примену и значај, и служи као мост који повезује две крајности, математичку детерминисаност (одређеност) и лингвистичку слободу формулације (релативизација одређености). Посебно је значајна примена фази логике у развоју модела базираних на правилима и на знању, радовима Abe Mamdanija са сарадницима средином 70-их година, односили су се на прву конструкцију контролера (фази контролер) за моделовање рада оператера [16]. Значајни помаци на овом пољу 70-их, направљени су захваљујући пре свега Michio Sugeno. Теоријски развој фази логике довео је до тога да модели формирани на фази логици (користе логички оператори и фази бројеви), описују процеси и појаве на начин који је ближи људском поимању. 5.2. Концепција фази логичког моделовања Од појаве фази логике и теорије фази скупова, пре четрдесетак година, истраживања примене овог концепта пристуна су у свим научним областима. Концепцијски, фази логика представља приступ за процесирање непрецизних и непотпуних информација. У експерименталном делу у дисертацији, користи се структура под називом фази систем закључивања – ФСЗ (Fuzzy Inference System - FIS). У вези са тим, у овом поглављу дају се основни појмови и дефиниције неопходни за разумевање изложеног текста. ОСНОВНИ ПОЈМОВИ ФАЗИ ТЕОРИЈЕ СКУПОВА Основна разлика између класичних или оштрих (crisp) и фази скупова је у прецизности, односно детерминисаности припадности елемената скупу. Фази скуп је скуп без оштрих тј. класичних граница, односно између одредница „припада скупу“ и „не припада скупу“ постоје нијансе, или прелази: „припада у мањој мери“, „припада у већој мери“ и сл. Ове прелазе називамо функцијама припадности - ФП (Membership Functions). На овај начин се путем фази теорије скупова уобичајени изрази као што су „руда је богата“ или „јаловина је сиромашна“ могу представити математички али флексибилно, путем лингвистичких израза. У фази математици, функција припадности има улогу мапирања припадности елемената одређеног фази скупа у класичне бројеве. Ако са 0 означимо вредност елемента који не припада скупу, а са 1 вредност елемента који припада скупу, тада се у функцији припадности елементима скупа додељују вредности дате у деловима јединице ради описа припадности датом скупу [36]. У примени теорије фази скупова значајно место имају лингвистичке променљиве и лингвистичке вредности, ако са X означимо „квалитет руде“ и дефинишемо фази скупове „веома сиромашна“, „сиромашна“, „средње богата“ и „веома богата“, тада лингвистичка променљива X односно „квалитет руде“ може узимати горе наведене лингвистичке вредности. ФУНКЦИЈЕ ПРИПАДНОСТИ Функције припадности (ФП) у потпуности описују појединачне фази скупове и приказују се математичким изразима. У теорији и пракси користе се различити облици функција припадности: ЈЕДНОДИМЕНЗИОНАЛНЕ ФУНКЦИЈЕ Троугаоне функције припадности дефинишу се вредношћу три параметра, који дефинишу x координате три угла који графички описују троугаону функцију припадности (слика 1а). Трапезоидне функције припадности дефинисане су вредностима четири параметра који дефинишу x координате четири угла који графички описују трапезоидну функцију припадности (слика 1б). Слика 5.1. Типови функција припадности (према: Jang et al.) На слици 5.1, поред троугаоне и трапезоидне функције приказани су Гаусова и звонаста функција расподеле. У пракси се користи и сигмоидална функција. ДВОДИМЕНЗИОНАЛНЕ ФУНКЦИЈЕ У инжењерској пракси често се користе функције припадности са две улазне променљиве, у општем случају различитих димензија, односно реда величина. Овакве функције припадности се називају дводимензионалним функцијама. На слици 5.2. приказана су дводимензионалнe функцијe дефинисане min и max операторима: Слика 5.2. Дводимензионалне функције (према: Jang et al.) Композитна дводимензионална функција припадности обично је резултат споја два лингвистичка израза повезана логичким оператором (И или ИЛИ). На овај начин се дводимензионалне функције припадности дефинишу као И односно ИЛИ агрегације саставних функција припадности. Класичне операције И и ИЛИ представљају минимум и максимум. ФАЗИ ПРАВИЛА Фази правила и фази закључивање представљају основу фази система закључивања. Са теоријског становишта, принцип проширења је суштински концепт који омогућава проширење класичних математичких израза и њихову трансформацију у фази изразе. Принцип проширења представља генерализацију концепта пресликавања 1-на-1 на мапирање између фази скупова. Ако су A и B лингвистичке вредности дефинисане фази скуповима на просторима X и Y, тада фази правило АКО-ТАДА има облик: ако је x = A тада је y = B израз „x=A“ или „x је A“ се назива премисом, а израз „y=B“ или „y је B“ се назива закључком. Правило АКО-ТАДА описује однос између променљивих x и y, чиме се фази правило АКО-ТАДА дефинише као бинарна фази релација R на резултујућем простору X  Y. ФАЗИ ЗАКЉУЧИВАЊЕ Фази закључивање је формулисањe пресликавања датог улаза у излаз коришћењем фази логике. Пресликавање пружа основу на којој се могу доносити одлуке или распознавати шаблони. Елементи фази закључивања су: фази променљиве, функције припадности, фази логички оператори и фази правила за закључивање типа ако-тада. Фази закључивање састоји се из пет фаза: 1. Фазификација улазних променљивих. Анализа улазних променљивих и утврђивање степена припадности одговарајућем фази скупу. Фазификацијом се остварује конверзија класичних нумеричких вредности у фази вредност. Излаз је фази степен припадности у квалификујућем лингвистичком скупу. 2. Примена фази оператора (И / ИЛИ) на формиране променљиве. Када је улаз фазификован, познат је и степен задовољења претходника (излаз претходног корака) за свако правило. Уколико претходник по датом правилу има више од једног дела, фази оператор се примењује како би се добио број који представља вредност претходника за то правило. Ова бројчана вредност се затим имплементира у излазну функцију. 3. Импликације претходника на наредни део. Улаз у процес импликације је број из претходника, а излаз је фази скуп. Импликација се примењује на свако правило. 4. Агрегација последица према правилима. То је процес којим се фази скупови као излази правила, комбинују у фази скуп. Агрегација се догађа једном за сваку излазну променљиву, непосредно пре петог и коначног корака, дефазификације. Улаз у процес агрегације је списак скраћених излазних функција насталих у процесу импликације по сваком правилу. Излаз из процеса агрегације је фази скуп за сваку излазну променљиву. 5. Дефазификација. Улаз у процес дефазификације је фази скуп (агрегирани излазни фази скуп), а излаз из процеса је класичан број. Најчешће коришћен метод за дефазификацију назива се центар гравитације или израчунавање центроида, који „враћа“ центар области испод криве. Описан је напред наведеном функцијом. Постоје и друге методе дефазификације, као што су центар сума, први од максимума и средњи од максимума [23]. ФАЗИ СИСТЕМИ ЗАКЉУЧИВАЊА Фази системи закључивања (слика 5.3.) су најважнији алат за моделовање заснован на теорији фази скупова. Фази систем закључивања представља често коришћени радни оквир заснован на теорији фази скупова, фази правила АКО-ТАДА и фази закључивања. У литератури се могу срести и називи „фази систем заснован на правилима“, „фази експертски систем“, „фази модел“, „фази асоцијативно памћење“, „фази логички систем“ и „фази систем“. Основна структура фази система закључивања састоји се из три основне компоненте: „база правила“ која садржи скуп фази правила, „база података“ (или речник) који дефинише функције припадности које се користе у фази правилима и „механизам закључивања“ који извршава процедуру закључивања. Фази систем закључивања као улаз може имати фази или класичну вредност, али је излаз увек фази вредност. Услед тога, у случајевима када је то неопходно (нпр. када се ради о контролеру), из фази вредности се мора извршити екстракција класичну вредности процесом дефазификације (слика 3). Слика 5.3. Структура фази закључивања (према: Jang et al.) Мада је у теорији дефинисано више типова закључивања, у пракси се најчешће користе три типа фази система закључивања: МАМДАНИ ФАЗИ СИСТЕМ ЗАКЉУЧИВАЊА Први развијени систем закључивања је Мамдани [51,52]. Принцип закључивања према овом систему приказан је на слици 5.4. Најчешће се користе Мамдани фази системи закључивања са једним и два улаза. Слика 5.4. Фази процес закључивања према Мамданију. (прилагођено из: Matlab 2008b, Product documentation, Mathworks, Nattick, USA). Након добијања излазне фази вредности из Мамдани система, у циљу добијања резултујуће класичне вредности, врши се дефазификација. Дефазификација је процес екстракције класичне вредности из фази правила. Тачније, као резултат добија се класична вредност која је репрезентативна за дати фази скуп. У циљу дефазификације користи се пет метода (слика 5.5): Центроид области, Бисектор области, Средња вредност максимума, Најмањи од максимума и Највећи од максимума. Слика 5.5. Методе дефазификације (према: Jang et al.)) Предности Мамдани модела су: - Интуитивност; - Широко прихватљив; - Фамилијарност, односно добра прилагођеност за рад. ТАКАГИ СУГЕНО СИСТЕМ ЗАКЉУЧИВАЊА Такаги Сугено систем (или Такаги Сугено Канг, или ТСК модел) [85] предложен је у склопу системског приступа генерисању фази правила из датог улазно-излазног скупа података. Типично правило овог система има следећи облик: ако је x A и y B тада је z = f(x,y) Где су A, B фази скупови, а z = f(x,y) класична функција. Функција f (x,y) у закључку је полином који описује излаз модела у фази области која је дефинисана премисом фази правила. Када је функција f (x,y) полином првог реда, резултујући фази систем закључивања је модел првог реда, када је функција константа, резултујући систем је модел нултог реда, и може се сматрати специјалним случајем Мамдани фази система закључивања. Кључна разлика између Мамдани и Сугено модела је у томе што су Сугено излазне функције припадности или линеарне или константне [56]. За Сугено фази модел нултог реда, излазни ниво Z је константа (а = b = 0). Принцип функционисања Такаги-Сугено модела приказан је на слици 5.6. а на слици 5.7. процес закључивања. Слика 5.6. Принцип функционисања Такаги-Сугено модела. (прилагођено из: Matlab 2008b, Product documentation, Mathworks, Nattick, USA). Коначни излаз из система је тежински просек свих излазних правила који се израчунава: Као компактнији и рачунски ефикаснији од Мамдани принципа, Такаги- Сугено принцип се намеће као практичнији за коришћење у оквиру адаптивних техника за конструкцију фази модела [53]. Адаптивне технике могу се користити за прилагођавање функција припадности, како би фази систем најбоље што боље интерпретирао податке. Адаптивни неуронски фази систем за закључивање (ANFIS – Adaptive Neural Fuzzy Inference System), који се користи за процедуре фази моделовања у циљу добијања информација о скупу података, као и за израчунавања параметара функције припадности који омогућава најбоље праћење датих улаза/излаза од стране придруженог фази система закључивања изграђен је на Такаги-Сугено фази моделу [42]. Слика 5.7. Фази процес закључивања на бази Такаги – Сугено модела. (прилагођено из: Matlab 2008b, Product documentation, Mathworks, Nattick, USA). Предности Такаги-Сугено модела су [42]: - Рачунска ефикасност; - Кооперативност са линеарном техником; - Кооперативност са адаптивном и оптимизационом техником; - Сигуран континуитет излазне површи; - Добра прилагођеност математичкој анализи. ЦУКАМОТО СИСТЕМ ЗАКЉУЧИВАЊА Према овом систему закључивања, последица сваког фази правила АКО- ТАДА је фази скуп са монотоном функцијом припадности. Као резултат, закључни излаз сваког правила дефинисан је класичном вредношћу, индукованом снагом сваког правила. Иако према овом систему не постоји потреба за дефазификацијом, за разлику од Мамдани и Такаги Сугено система, овај систем се не користи у знатнијем обиму, због своје нетранспарентности. 5.3. Процесне примене фази логике Процесне примене фази логике су у успону, примене се шире у свим областима, у цементној и прерађивачкој индустрији, у машиноградњи, саобраћају, тешкој индустрији, опекарској индустрији, прехрамбеној индустрији, енергетици, рударству, припреми минералних сировина, хемијској индустрији, грађевинарству, ракетним и космичким технологијама, медицини, роботици, војним технологијама, уградњи у електроенергетској и електронској опреми широке намене, у опреми за домаћинства, итд. Примене фази логике у принципу се односе на функције одлучивања, надзора и управљања. Идеја процесне примене фази логике своди се на дефинисање алгоритама надзора и управљања на основу логичких правила. Тако нпр. радови аутора Y.Z.Tzulkin, 1955; S.V.Emeluanov, 1967; V.I.Utkin, 1977; и др. односе се на настојања да се повећа ефикасност конвенционалних алгоритама мониторинга, коришћењем логичких оператора Булове логике [42]. То није дало потпуно задовољавајуће резултате, тек су се са увођењем фази логике почели остваривати жељени циљеви. Радови Mamdanija и Assiliana [51,52], базирани на концепту који је поставио Zadeh [119], отворили су врата примени фази логике у области вештачке интелигенције и показали да се фази логичка правила могу користити у контроли сложених система. Примене фази логике у контроли процеса почивају на идеји формирања алгоритма контроле на фази логички описаном знању (knowledge based algorithm) [42]. Једна од предности примена фази логике, огледа се у могућности дефинисања лингвистичких вредности, променљивих. На пример, реч „редак“ може се приказати фази подскупом скупа „густина“, или реч „ситан“ подскупом скупа „крупноћа“. У практичном смислу, конверзија „непрецизних“ вредности у лингвистичке вредности, а затим конверзија у командне и надзорне сигнале система, омогућава практичну примену фази логике у контроли и управљању процесима. Под лингвистичком променљивом подразумева се променљива представљена говорним језиком. Уобичајено приказивање променљивих децидним нумеричким вредностима, замењено је додељивањем описног својства, које представља фази подскуп посматраног скупа. Ако са ознаком d50 представимо вредност просечног пречника зрна узорка минералне сировине, лингвистичка, тј. описна вредност за d50 биће: „средња вредност пречника зрна”. Оваквим исказом, имплицира се да просечна вредност пречника зрна није позната и неизвесност у погледу конкретна бројчане вредности. Да би се ближе описала припадност, односно одређеност неке лингвистичке променљиве, користи се вероватноћа дистрибуције, којом се у суштини одређује тип непрецизности. Дистрибуција вероватноће означена са (x), еквивалента је изразу: где је: А(x) - степен припадности x у скупу А. Дакле, дистрибуција вероватноће је показатељ степена до којега је могућа вредност променљиве x. Постоји већи број националних и међународних асоцијација и удружења за промоцију развоја меког рачунања, односно фази логике. Међународна асоцијација за фази системе (International Fuzzy Systems Association - IFSA) је посвећена подршци, развоју и промоцији фази теорије у доменима: математичке логике, релација, говорних језика, лингвистичког моделовања, теорије флуидности и непрецизности, грануларности информација, теорије система и системске анализе, дијагностике, предвиђања, управљања системима, подршке одлучивања и сл. У табели 5.1., дат је преглед истраживачких тема примене фази логике у индустрији [38]. Теме истраживања примене фази логике у индустрији Табела 5.1. Извор: Cengiz Kahraman, Murat Gülbay and Özgür Kabak, Applications of Fuzzy Sets in Industrial Engineering:A Topical Classification, “Fuzzy applications in industrial engineering: Studies in Fuzziness and Soft Computing”, Volume 201/2006, (1-55). У индустрији се статистичке методе примењују као подршка за доношење одлука, на основу нумеричких информација добијених израчунавањима на случајно одабраном узорку. У случајевима бројности података, претраживањима се издвајају подаци који су битни за доношење управљачких одлука. Напредак на овом пољу учињен је развојем тренд анализе и њене интеграције у адаптивне системе фази закључивања, тандемског кластер процеса за скупове података са више модова, развоја метода математичког програмирања у циљу процене параметара фази линеарних регресионих модела, примене концепта ентропије на меру степена фазификације, итд. Једнокритеријумско и вишекритеријумско одлучивање представљају значајно подручје примене теорије фази логике у системском инжењерству. Од бројних примена метода једнокритеријумског и вишекритеријумског одлучивања у рударству издвајају се: планирање производње, избор оптималне машинске структуре, управљање хомогенизацијом руде, решавање локацијско-алокацијских проблема и сл. [98, 100,104]. Информационе технологије представљају област веома значајнијих имплементацијама фази теорије, нпр.: примене фази мера у претраживању података, евалуацији сигурности рачунарских мрежа, откривање непоузданих података у релационим базама података, итд. Фази експертски системи користе се у областима са израженом несигурношћу и нејасноћама. Пример су дијагностичке методе оптимизације енергетске ефикасности, максимизирања оперативног времена, алгоритми фази закључивања на евалуацију, експертска оцена вероватноће отказа машина и опреме, и сл. ФАЗИ КОНТРОЛЕР Ако је S систем који је контролисан, са u - означеним улазом, а са i – излазом из система, процес у коме се вредност излаза одржава „у близини“ вредности улаза назива се процесом регулације, слика 5.8. Једначина која описује законитост по којој функционише контролисани процес назива се алгоритам контроле. Општи облик алгоритма контроле гласи: Где су: е - Грешка која се појављује између жељеног и стварног исхода; V - Својство контролера K; f - У општем случају нелинеарна функција; d - Дејство контролера K (акција коју предузима контролер ради регулације рада система). Слика 5.8. Принципијелна шема контролера. На основу алгоритма контроле, изведени су напреднији алгоритми: пропорционални (П), диференцијални (Д), интегрални (И), пропорционално-интегрални (ПИ), пропорционално-интегрално- диференцијални (ПИД), итд. [42]. Овим алгоритмима заједничко је да се аналитички описују једначинама. Синтеза алгоритама контроле захтева формални аналитички опис контролисаног процеса, односно математички модел који обухвата: 1. Одређивање променљивих разматраних стања, односно променљивих битних код разматрања промена у систему; 2. Одређивање акционе променљиве, односно променљиве којом се манипулише како би дошло до промене у стању система; 3. Установљавање фази скупова за оба типа променљивих; 4. Установљавање фази производних правила која покривају сва извесна стања у окружењу; 5. Дефинисање функције фази припадности; 6. Дефинисање вредности припадности свих стања за свако правило; 7. Примена фази правила помоћу акција које „препоручују“ правила, узимајући у обзир тежинске факторе. Фази производна правила се најчешће приказују у матричној форми, и обухватају: 1. Одређивање променљиве стања и функције промене (односно параметара који утичу на промене стања и окружења система који се моделује). То су променљиве које представљају тренутно стање система, док су параметри она дејства која утичу на систем и доводе до промене стања; 2. Одређивање нових променљивих стања које треба израчунати, односно променљивих чије је вредности модел у стању да предвиди; 3. Опис фази скупова за тренутне променљиве стања, утицајне параметре, као и за нове променљиве стања које треба предвидети; 4. Установљење фази правила која покривају сва стања која би могла постојати у окружењу; 5. Дефинисање функције фази припадности за све термине који се користе у фази правилима; 6. Примена фази правила помоћу акција које „препоручују“ сва правила, при томе узимајући у обзир тежинске факторе. Резултат је конкретна нумеричка вредност за сваку променљиву стања која се предвиђа. 6.0. ПОСТАВКА ФАЗИ МОДЕЛА И ЕКСПЕРИМЕНТАЛНА ИСТРАЖИВАЊА 6.1. Уводне напомене Истраживања у оквиру дисертације, мотивисана су намером да се проблем оптимизације чишћења угља фази техником теоријски сагледа, развије алгоритам и постави принципијелни модел управљања чишћењем угља. Истраживања обухватају и вредновање применљивости постављеног модела у реалним условима. С обзиром на енергетски значај угљеног басена Угљевика за Републику Српску и шире и чињеницу да кандидат одлично познаје минерално-сировинску базу и технологију производње угља у овом басену, Рудник и термоелектрана Угљевик са површинским копом мрко-лигнитског угља „Богутово село” и Parnaby постројењем за чишћење угља, послужили су као тест објекат за примењена истраживања. Експериментална истраживања изведена су у виртуелним условима коришћењем софтверског система MATLAB. 6.2. Технологија чишћења угља на ПК „Богутово село” Постројење за чишћење угља Рудника и Термоелектране Угљевик прихвата ровни угаљ са површинског копа „Богутово село”, где је производња угља започета 1980. година. Годишњи обим производње је око 1,7 милиона тона угља. Површински коп „Богутово село” је подељен на два ревира, Северни и Јужни. Северни ревир где је експлоатација угља у фази обуставе, чине два откопна поља, Западно и Источно. У Јужном ревиру су недавно започети радови на експлоатацији угља. Пошто садашње резерве угља експлоатационог поља „Богутово село” нису довољне за снабдевање термоелектране (ТЕ) до краја њеног експлоатационог века, планирано је отварање новог површинског копа „Угљевик-Исток”, који ће снабдевати угљем садашњу и нову термоелектрану. Откопани угаљ се углавном троши за потребе Термоелектране Угљевик I, а мање количине класираног и праног угља пласирају се на тржишту за широку потрошњу. Резерве угља у Угљевичком басену процењене су на око 180 × 106 (t), у експлоатационим границама површинског копа „Богутово село” налази се око 16,9 ×.106 (t) ровног угља. Угаљ је мрко-лигнитски, доње топлотне моћи 11.718 (kJ/kg) у главном угљеном слоју, 9.444 (kJ/kg) у I кровинском слоју и 7.719 (kJ/kg) у II кровинском слоју. Површински коп и ТЕ Угљевик су стратешко важни енергетски објекти Републике Српске, са годишњом производњом од 1.500 (GWh) електричне енергије. Угаљ се експлоатише цикличном технологијом, са откопавањем и утоваром угља хидрауличним и класичним багерима-кашикарима са запремином кашике од 4,6 до 15 (m3). Транспорт угља и јаловине се изводи дамперима носивости 75-120 (t). Угаљ из кровних угљених слојева није могуће директно користити у ТЕ без претходног чишћења, па је процес припреме који се састојао само у дробљењу ровног угља, слика 6.1, замењен процесом чишћења угља у аутогеној суспензији, Parnaby процес. Процес чишћења угља у аутогеној суспензији чини неколико поступних фаза: I - фаза припреме угља на улазну крупноћу -100 + 0 mm; II - фаза чишћења и класирања угља; III - фаза пречишћавања отпадних вода. Слика 6.1. Принципијелна технолошка шема дробљења угља на ПК „Богутово село“. 1 – грабуљасти транспортер, 2 – примарна дробилица, 3 – клизница, 4 – транспортер са гуменом траком 5 – детектор метала, 6 – секундарна дробилица, 7 – уређај за отпрашивање (из документације Рудника и ТЕ Угљевик) Допрема ровног угља са привремене депоније до пријемног бункера погона за чишћење угља изводи се утоварачем, преко косе фиксне решетке отвора 350 × 350 (mm), слика 6.2. Просев фиксне решетке крупноће –350 (mm) привремено се складишти у бункеру запремине 30 (m3), а комади већи од 350 (mm) враћају се утоварачем на привремену депонију, где се допунски уситњавају. Извлачење угља из бункера и његово равномерно дозирање на транспортну траку (Б=1000 mm) изводи се додавачем са ексцентром ЕД-3. Пре уситњавања, ровни угаљ се просејава на вибрационој решетци са просевним отворима 100 (mm). Просев крупноће –100+0 (mm) пада на транспортну траку (поз. 2), а комади ровног угља –350+100 (mm) уситњавају се у ударно чељусној дробилици (поз. 1) на крупноћу –100 (mm) и заједно са просевом вибрационе решетке одлази транспортном траком (поз. 2) у бубањ (поз. 3.1) постројења за чишћење угља. Лака фракција бубња крупноће –100+0 (mm) одлази на вибрационо сито (поз. 3.7) које има двоструку улогу. На првом делу сита са просевним отворима 5 (mm) изводи просејавање и одвајање крупног и ситног угља са пратећом суспензијом, а на другом делу просевне површине са отворима 0.5 (mm) крупан угаљ се, уз помоћ млазница и воде под притиском, испира од преосталих честица аутогене суспензије, чиме се завршава процес чишћења крупних класа угља и добија чист угаљ (ЧУ) крупноће –100+5 (mm). Транспортном траком (поз. 5) он се транспортује на вибрационо сито (поз. 7) са две просевне површине, које да је следеће асортимане: ЧУ –100+40 (mm); ЧУ –40+15 (mm) и ЧУ –15+5 (mm). Транспортерима (8, 9 и 10) ови производи се одвозе на привремене депоније, са којих се утоварачем товаре у камионе и одвозе купцима. Просев првог дела вибрационог сита (поз. 3.7) крупноће –5+0 (mm), са највећим делом откапане суспензије и ситним угљем, прикупља се у резервоару (поз 3.3.), одакле се центрифугалном муљном пумпом (поз. 3.4) упућује у циклоне (поз. 3.5), у којима се врши чишћење ситних класа угља. Прелив циклона одводњава се и просејава на лучним ситима (поз. 3.6 и 3.8) отвора 0,5 (mm), и вибрационом ситу (поз. 3.9), такође отвора 0,5 (mm). Чишћење ситних класа ровног угља завршава се интензивним испирањем на другом делу вибрационог сита (поз. 3.9), а чисти угаљ (ЧУ) крупноће – 5+0,5 (mm) одвози се транспортном траком (поз. 6) на депо. Раздвајање јаловине бубња и хидроциклона од аутогене суспензије врши се на вибрационом ситу (поз. 3.2) просевног отвора 0,5 (mm), тако да на транспортер (поз. 4) доспева откапана јаловина крупноће –100+0,5 (mm). Она се, до транспорта камионима на коначно место ускладиштења, привремено депонује на одговарајућем складу. Снабдевање бубња аутогеном суспензијом врши се истовремено на два начина. Мањи део суспензије, коју формира класа -0,5 (mm) присутна у материјалу којим се храни бубањ, доводи се гравитацијски са лучног сита, а већи део суспензије упумпава се у бубањ из резервоара (3.10 А), центрифугалном муљном пумпом (поз. 3.11). У сипки-каналу која храни бубањ аутогеном суспензијом и ровним угљем монтирана је сонда за мерење нивоа (max) која је повезана са траком која храни бубањ (поз. 2) и центрифугалном муљном пумпом (поз. 3.11) Вишак аутогене суспензије прикупља се у резервоару (поз. 3.10 Б), одакле гравитацијски одлази до нове бетонске шахте (поз 24). У Бетонској шахти (поз. 24) Уграђени су мерачи нивоа min, max и stop а такође и потапајућа муљна пумпа (поз 25) која муљ транспортује у згушњивач (поз 26). У згушњивач се додаје и флокулант уз помоћ доз пумпе монтиране на станици за флокулант (поз. 35). Преливна вода згушњивача одлази у резервоар чисте воде формирајући тзв. затворени циклус. Згуснути производ преко пнеуматског вентила и муљне пумпе (поз. 27) шаље се у међу резервоар - кондиционер (поз. 28) а потом муљном пумпом (поз. 29) на филтрирање на филтер пресу (поз. 30). У кондиционер који је снабдевен сондама min, max и stop, се такође додаје флокулант уз помоћ дозне пумпе монтиране на станици за флокулант (поз 35а). Исфилтрирани производ представља јаловину која гравитацијски пада у бункер (поз 31) одакле се повремено - по потреби транспортује камионом на јаловиште заједно са крупнозрном јаловином. Филтрат се гравитацијски враћа у бетонски резервоар (Поз. 24) чиме се затвара циклус воде. За испирање заосталог муља на филтер платнима предвиђа се набавка ручне пумпе високог притиска за коју треба обезбедити прикључак за воду и струју. За рад пнеуматског вентила и филтер пресе користи се компресор (поз. 34). Погон за прање угља користи свежу воду са водозахвата Јања и Мезграјица и повратну воду као прелив згушњивача (поз 26). Свежа вода се прво допрема у бетонски резервоар (Б) запремине око 375 (m3), а затим пумпом пребацује у резервоар за воду. Из овог резервоара, пумпом за воду, вода се под притиском од 3-4 бар пумпа у млазнице на вибро ситима (поз. 3.7 и 3.9), где се углавном троши за испирање чистог угља и справљање раствора флокуланта. Шема технолошког процеса постројења за чишћење угља ПК „Богутово Село”, као и пројектованог система за третман отпадних вода приказана је на слици 6.2. Процес чишћења у бубњу одвија се на следећи начин: Заједно са ровним угљем крупноће -100+0 (mm) у спирални нагнути бубањ убацује се и аутогена суспензија одговарајуће густине. Низ бубањ тече аутогена суспензија потпомогнута динамичким ефектом спирале и са собом носи лаку фракцију (чист угаљ). Јаловина као тежа пада на дно бубња и њу спирала износи супротно од кретања суспензије и чистог угља. Лака фракција излази из бубња заједно са суспензијом и одлази на сито отвора 5 (mm). Просев сита крупноће -5+0 (mm) представља ситан угаљ и суспензију и он се помоћу муљне пумпе шаље на батерију циклона где се врши чишћење ситне класе угља. Чист угаљ крупноће -5+0,5 (mm) одлази преко два лучна сита на посебно вибро сито где се врши откапавање и прање чистог угља. Ситнозрна јаловина као песак циклона спаја се са крупнозрном јаловином и одлази на сито за откапавање а потом транспортном траком на депо јаловине. Чист угаљ крупноће -100+5 (mm) одлази на сито за испирање и потом на сито за класирање на три сортимана -100+40 (mm), -40+20 (mm) и -20+5 (mm), а чист угаљ крупноће -5+0,5 (mm) одлази посебном транспортном траком на депо за ову класу. Као производ процеса чишћења угља у аутогеној суспензији јавља се и муљ крупноће -0,5+0 (mm) који представља вишак суспензије и који треба да се адекватно третира у циљу заштите животне средине. Наиме у постојећем технолошком процесу „третман” муља је подразумевао таложење муља у таложницима направљеним у терену а преливна вода која је садржавала значајну количину суспендованих материја испуштана је у водоток. Слика 6.2. Технолошкашемапроцесачишћењаугљауаутогенојсуспензији (издокументацијеРудникаиТЕУгљевик). Таложник Т1 има запремину око 3.500 (m3), а таложници Т2 и Т3 запремину од око 2.250 (m3), сваки. Отпадне воде, се преливају из првог у други а затим трећи таложник, не постоје чисти преливи нити се преливна вода враћа у процес. Све потребе погона, како је то већ речено, намирују се свежом водом. 6.3. Фазификовани модел за подршку управљању процесом чишћења угља Сазнања везана за тему докторске дисертације, показују да су истраживања на овом пољу до недавно била углавном усмерена ка моделима за подршку одлучивању и управљању, заснованим на конвенционалним детерминистичким приступима у комбинацији са математичком статистиком и вероватноћом, са резултатима који не задовољавају сасвим. У петнаестак последњих година развојна истраживања на овом пољу оријентишу се ка фази логичким приступима на сегментним функционалним нивоима примене фази технике у процесима припреме минералних сировина. Уочљиво је да су главне теме инжењерско-креативне и истраживачке пажње усмерене ка процесима као што су: хомогенизација, уситњавање и класирање, чишћење угља и флотацијски процеси. И поред бројних радова и публикација, о применама фази технике у различитим подручјима рударства, и неоспорне чињеници да су могућности примена фази технике широке, мишљења смо да се са аспекта потреба рударства и припреме минералних сировина, због недовољне теоријске обрађености, сложености реалних процеса и увек присутног неповерења према новом, ово подручје истраживања налази још увек у повојној фази. Постављање фази технике у основу подршке одлучивању и управљању технолошким процесом чишћења, је крајње логично због фази природе процеса, и због недовољне ефикасности подршке одлучивању и управљању процесом чишћења угља засноване на конвенционалним детерминистичким приступима (погледати Одељак 4.2). Кључни утицајни чиниоци на процес чишћења угља, односно процес раздвајања у аутогеној суспензији везани су за карактеристике ровног угља који улази у процес чишћења и техничко-технолошке перформансе постројења у коме се изводи раздвајање. С обзиром на тополошку сличност (типизираност) постројења за чишћење угља у аутогеној суспензији, могуће је поставити општи објектно процесни орјентисан алгоритам, и фазни структурни модел. Они су неопходни за анализу и сагледавање надзорно-управљачких токова у технолошком процесу чишћења угља у аутогеној суспензији и за постављање концепције и развој фази модела за подршку одлучивању. На слици 6.3. приказан је објектно оријентисан процесни алгоритам чишћења угља у аутогеној средини а на слици 6.4. структурни модел за подршку одлучивању и управљању чишћењем угља у реалном времену, са два повезана процесна тока, производним и надзорно-управљачким У врху тополошке структуре је позиција доносиоца одлука. Слика 6.3. Процесни алгоритам чишћења угља у аутогеној суспензији. Према структурном моделу у проширеном времену, евентуално у случају потребе и у реалном времену, надзорно-управљачку функцију има менаџмент компаније, а диспечер (ДЦ) искључиво извршну функцију у реалном времену. Слика 6.4. Структурни модел за подршку управљању процесом чишћења угља у реалном времену. Имајући у виду функционалну структуру, техничко-технолошке и сигурносне захтеве постројења за чишћење угља у аутогеној суспензији, са аспекта надзора и управљања у циљу вођења процеса по оптималном или задатом режиму, сагласно структурном моделу са слике 6.4, физичка и логичка топологија надзорно-управљачких токова мора бити успостављена на принципу централизованости и селективне проходности ка вишим хијерархијским нивоима. Због проблема мерљивости утицајних процесних параметара и њихове променљивости често тешко предвидиве, овакви су системи веома захтевни у информационо-управљачком погледу, захтевају ефикасну телеметрију, остварљиву применом интегрисаних рачунарских технологија. На слици 6.5. приказана је тополошка шема надзорно-управљачког система површинског копа „Богутово село” [104,111], са спрегнутим подсистемом за надзор и управљање радом Parnaby постројења за чишћење угља. Ефективност и ефикасност надзорно-управљачког система постројења за чишћење угља, под претпоставком да су испуњени интегративни, технички, технолошки, организациони и логистички услови, подразумева фазификацију три слоја логичке структуре, слика 6.4. Према структурном моделу фазификација је потребна на нивоима: - Уситњавања; - Чишћења угља у аутогеној суспензији; и - Чишћења угља у циклону. Слика 6.5. Топологија рачунарски интегрисаног надзорно-управљачког система површинског копа „Богутово село“ [104,111]. Анализа показује да интегрисане системе за подршку одлучивању и управљању, ради оптималног вођења процеса чишћења, треба успоставити такође са минимално три хијерархијска нивоа: мерно регулациони, комуникациони и извршни надзорно-управљачки ниво, чиме се обезбеђује: 1. Ефикасно процесирање стохастички променљивих података; 2. Брз одзив у реалном времену са одлукама базираним на фази логици; 3. Варијабилност, оперативност и скалабилност система; 4. Ефикасна реализација управљачке логике; 5. Пренос података из реалног процеса према командном месту и селективно према вишим хијерархијским нивоима; 6. Обрада, интерпретацију и приказ података у реалном времену; 7. Филтрација података и селективну дистрибуцију; 8. Повратна дејства на кључне процесе реалног система; 9. Расположивост додатних информација (у проширеном времену). Уважавањем ових принципа, постављен је структурни модел за подршку одлучивању и управљању процесом чишћења угља у аутогеној суспензији, слика 6.4., који је представљао полазну основу за развој фази модела. 6.4. Фази модели чишћења угља у постројењу ПК „Богутово село” Сагласно оценама из одељка 6.2, процес чишћења угља карактерише известан број параметара, односно улазних променљивих које утичу на ефикасност и ефективност технолошког процеса. Са аспекта контроле и управљања, издвајају се две категорије процесних параметара – зависни тј. параметри на чије вредности се може утицати и исходни или независни параметри на које се не може утицати. Успешност процеса чишћења угља дефинишу параметри: садржај пепела, сумпора, влажност, однос чистог угља и јаловине, топлотна моћ, и др. Класирати параметре по значајности није једноставно пошто ефекти чишћења не зависе само од својстава ровног угља, већ и вођења технолошког процеса. Фази логички модел за потребе истраживања у овој дисертацији развијен је на примеру постројења за чишћење угља Рудника и термоелектране Угљевик. Према опису из одељка 6.1, раздвајање угља у овом постројењу одвија се за класе крупноће угља изнад и испод 0,5 (mm), са различитим уређајима. Ово је условило „издвајање две гране” фази модела – модел раздвајања угља за крупне класе и модел раздвајања угља за ситне класе. У развоју модела коришћени су подаци из „Студијских предлога могућности чишћења мрког угља Угљеног басена Угљевик“, техничка документација опреме постројења, и подаци о раду постројења и термоелектране за 2006, 2007, 2008 и 2009. годину [123]. ФАЗИФИКАЦИЈА ЧИШЋЕЊА КРУПНИХ КЛАСА УГЉА Parnaby постројење за чишћење угља у аутогеној суспензији површинског копа „Богутово село“ РиТЕ Угљевик, производи угаљ који се углавном троши за сагоревање у термоелектрани, мањим делом за широку потрошњу. Естимацијом параметара издвајају се као најзначајнији у контроли квалитета чишћења: садржај пепела у, доња топлотна моћ, садржај влаге и масени однос чистог угља и јаловине. Ради дефинисања параметара за формирање фази модела, извршена је математичко-статистичка обрада расположивих података, и коришћена је статистичка метода закључивања заснована анализи варијансе (АНОВА). АНОВА се користи као аналитички поступак поређења аритметичких средина k фактора. Анализа варијансе у овом случају садржи неколико фактора где сваки може имати више од једног нивоа, при чему се за фактор сматра сваки утицај, дејство, стање или промена која се одражава на резултујућа обележја (исходне променљиве). Нивои фактора представљају, у логичком смислу, степен деловања (утицаја). За потребе планирања тестова, односно избора параметара, одређена је комбинација нивоа фактора по групама. Пошто је циљ испитати ефекте дејства већег броја фактора, тестовима је обухваћено испитивање утицаја појединачних фактора, и интеракција између њих. Ред значајности параметара утврђен је на основу анализе варијансе. Променљивост квалитета ровног угља на површинском копу „Богутово село” последица је природних утицаја и лежишних услова (угаљ се ископава из четири угљена слоја). У табели 6.1. дат је преглед параметара који се односе на квалитет угља, са утврђеним [MIN/MAX] опсезима промена, а у табели 6.2. приказани су технички и технолошки параметри Parnaby постројења, релевантни за надзор и управљање. Релевантни параметри квалитета ровног угља Табела 6.1. Као кључни улазни параметри за развој фази модела издвојени су: садржај пепела у ровном угљу (ПЕПу), садржај сумпора у ровном угљу (ССМу), доња топлотна моћ ровног угља (ДТЕу), садржај влаге (СВЛу), и крупноћа (КРПу). А као излазни: садржај пепела у чистом угљу (ПЕПч), доња топлотна моћ чистог угља (ДТЕч), масени однос чистог угља и јаловине (МЧУ/МЈА), садржаја сумпора (ССМч) и влага (СВЛч). Технички параметри процеса чишћења крупних класа угља Табела 6.2. Наредни корак у развоју фази модела је фазификација променљивих. У табели 6.3. приказани су опсези променљивих, просечне вредности и вероватноће у процесу чишћења крупних класа, у табели 6.4. приказане су фазификоване лингвистичке вредности променљивих, а у табели 6.5. матрица међузависности процесних параметара чишћења угља крупних класа, која представља полазиште за дефинисање фази правила. Променљиве процеса чишћења крупних класа угља Табела 6.4. Фазификација опсега променљивих, процес чишћења крупних класа угља Табела6.4. Тумач: Н – ниско /мало, С – средње, В – високо / велико. Матрица међузависности параметара у процесу чишћењу крупних класа угља Табела 6.5.. Тумач: Р – расте, О – опада На слици 6.6. приказан је део комбинаторних матрица (правила) фази односа параметара у процесу чишћење крупних класа угља. Шеме дефинисања функција припадности, додељивања фази вредности параметрима и формирања фази правила у моделу, приказане су на сликама 6.7, 8 и 9. Ове три слике секвенцијално илуструју секвенце развоја фази модела чишћења крупних класа угља. Фази модел за крупне класе угља развијен је у програмском систему MATLAB (МАТrix LABoratory) са нумеричким окружењем, које омогућава манипулације са векторима (матрицама), имплементацију алгоритама, цртање функција, формирање корисничког интерфејса и др. Опциони програмски модули као што су МuPAD и SIMULINK, кроз приступе симболичком рачунарству и вишим доменима симулације, шире могућности примена MATLAB-а, у академским, истраживачким и индустријским доменима. У циљу рационалности и избегавања непотребног оптерећења текста детаљима, у наставку су на сликама од 6.10. до 6.15. приказане секвенце модела у MATLAB-у. Оне се односе на формирање и приказ фази правила, и приказ односа фази променљивих. Слика 6.6. Део комбинаторних матрица (правила) фази односа параметара у процесу чишћења крупних класа угља. Слика 6.7. Дефинисање функција припадности у фази моделу за чишћење крупних класа угља. (према: Matlab 2008b, Product documentation, Mathworks, Nattick, USA). Слика 6.8. Додељивање фази вредности параметрима у моделу за чишћење крупних класа угља. (према: Matlab 2008b, Product documentation, Mathworks, Nattick, USA). Слика 6.9. Формирање фази правила у моделу за чишћење крупних класа угља. Слика 6.10. Приказ формирања фази правила модела чишћења крупних класа угља. Слика 6.11. Приказ фази правила модела чишћења крупних класа угља. Слика 6.12. Односи фази променљивих КРП/ПЕПу – ПЕПч. Слика 6.13. Односи фази променљивих КРП/ДЕТу – ПЕПч. ФАЗИФИКАЦИЈА РАЗДВАЈАЊА СИТНИХ КЛАСА УГЉА Процес раздвајања ситних класа у постројењу Parnaby на површинском копу „Богутово село“ (-5 mm) одвија се у циклонима, описано у одељку 6.1. Улазне променљиве су: садржај пепела у улазном угљу (ПЕПу), доња топлотна моћ улазног угља (ДТЕу), садржај сумпора (ССМу), садржај влаге (СВЛу). Излазне променљиве су: садржај пепела у чистом угљу (ПЕПч), доња топлотна моћ чистог угља (ДТЕч), и масени однос чистог угља и јаловине (МЧУ/МЈА), садржај сумпора у чистом угљу (ССМч) и влага (СВЛч). Напомињемо да су улазни подаци за угаљ еквивалентни подацима за ровни угаљ пошто нису расположиви подаци о ситном угљу - нису извођене међуфазне анализе. То нема суштинског значаја за развој и тестирање фази модела. У табели 6.6. приказани су релевантни параметри за улазни угаљ у циклон, а у табели 6.7. технички и технолошки параметри процеса и опреме постројења за раздвајање ситних класа угља. Релевантни параметри улазног угља у циклон Табела 6.6. Технички и технолошки параметри процеса раздвајања ситних класа угља Табела 6.7. Променљиве процеса раздвајања ситних класа угља Табела 6.8. Фазификација опсега променљивих, процес раздвајања ситних класа угља Табела 6.9. Тумач: Н – ниско /мало, С – средње, В – високо / велико. Матрица међузависности параметара при раздвајању ситних класа угља Табела 6.10. Тумач: Р – расте, О – опада Слика 6.16. Део комбинаторних матрица (правила) фази односа параметара у процесу раздвајања ситних класа угља. На слици 6.16. приказан је део комбинаторних матрица фази правила модела раздвајања ситних класа угља. Функције припадности и фази правила дефинисана су за све комбинације, слике 6.17, 18 и 19. Ове три слике истовремено илуструју принципијелни ток раздвајања ситних класа угља. На сликама од 6.20. до 6.25. приказане су секвенце фази модела у MATLAB-у, односе се на формирање и приказ фази правила, и приказ односа фази променљивих. Слика 6.17. Дефинисање функција припадности у фази моделу раздвајања ситних класа угља. (према: Matlab 2008b, Product documentation, Mathworks, Nattick, USA). Слика 6.18. Додељивање фази вредности параметрима у моделу раздвајања ситних класа угља. (према: Matlab 2008b, Product documentation, Mathworks, Nattick, USA). Слика 6.19. Формирање фази правила у моделу раздвајања ситних класа угља. Слика 6.20. Приказ формирања фази правила модела чишћења ситних класа угља. Слика 6.21. Графички приказ фази правила модела чишћења ситних класа угља. Слика 6.22. Однос фази променљивих ПРР/УКО – ПЕПч. Слика 6.23. Однос фази променљивих ПЕПу/УКО – ПЕПч. Слика 6.24. Однос фази променљивих УКО/ГСУ – ПЕПч. Слика 6.25. Однос фази променљивих ДТЕу/ГСУ – МЧУ. МОДЕЛ СИМУЛАЦИЈЕ ЧИШЋЕЊА УГЉА Фази симулација чишћења угља у аутогеној суспензији за услове постројења површинског копа „Богутово село“, изведена је са циљем утврђивања функционисања применљивости и ефикасности фази моделовања чишћења угља у аутогеној суспензији. Симулација је изведена коришћењем програмског пакета MATLAB са модулом SIMULINK, специјализованим за симулације динамичких система у графичком окружењу, слика 6.26. Симулација је реализована креирањем SIMULINK модела и коришћењем одговарајућих фази правила и односа. SIMULINK модел се приказује у графичком, блок дијаграмском облику, који у суштини представља математички модел проблема. Променљиве улаза и излаза посматрају се као сигнали, а блокови су повезани стрелицама које означавају ток симулираног процеса, односно ток сигнала. Слика 6.26. SIMULINK, графичко окружење. Овако формиран модел у основи представља извршну графичку спецификацију градивних функционалних компонената које се током развоја и симулације могу кориговати, адаптирати и мењати. На основу алгоритма и структурног модела чишћења угља у аутогеној суспензији (слике 6.3. и 6.4.), на основу постављених фази логичких правила, дефинисаних функција припадности, и фазификацијом променљивих (погледати претходне одељке), развијена је принципијелна шема модела постројења за чишћење угља површинског копа „Богутово село”, слика 6.27. Шема представља основу наредног корака, развој фази симулационог модела у SIMULINK-у, чији је блок дијаграм приказан на слици 6.28. Интегрално посматрано, развој симулационог модела, обухватио је пет корака: дефинисање концепције модела, идентификацију обележја процеса, фазификацију технолошких и техничких параметара процеса, развој блок дијаграма-симулационог модела, покретање и тестирање модела. На овако формираном моделу извршена су тестирања. Ради провере валидности развијеног фази модела, симулација процеса чишћења угља у аутогеној суспензији изведена је уз помоћ реалних података из постројења за чишћење угља површинског копа „Богутово село”. Другим речима симулиран је реални процес, што обезбеђује основу за објективну компаративну анализу моделских и стварних исходних резултата процеса чишћења угља. Поред услова који осликавају рад постројења за чишћење угља на површинском копу „Богутово село”, приказаних у табелама 6.1-10. и на сликама 6.6 – 6.25, за формирање симулационог модела неопходно је било дефинисати временски интервал симулације, цикличност, места и побуде поремећајних утицаја на процес. Слика 6.27. Принципијелна шема симулационог модела чишћења угља у аутогеној суспензији Слика 6.28. Блок дијаграм симулационог модела чишћења угља у аутогеној суспензији (SIMULINK) Слика 6.29. Допрема ровног угља. Слика 6.30. Садржај пепела у ровном угљу. Слика 6.31. Доња топлотна моћ ровног угља. Слика 6.32. Садржај влаге у ровном угљу. Слика 6.33. Садржај сумпора у ровном угљу. Слика 6.34. Количина чистог угља. Слика 6.35. Садржај пепела у чистом угљу. Слика 6.36. Доња топлотна моћ чистог угља. Слика 6.37. Садржај влаге у чистом угљу. Слика 6.38. Садржај сумпора у чистом угљу. За интервал симулације, узета су 24 часа рада постројења, а за меру цикличности 1 час. За позицију у систему на којој се генеришу и догађају поремећајни утицаји узето је пријемно место ровног угља са површинског копа, слика 6.27. Генерисање поремећајних утицаја на процес у моделу је изведено RND() функцијом са допуштеним опсегом промена. Слика 6.39. Корелативnост моделских улазних и излазних показатеља (ордината: вредност коефицијента корелације). Експериментална провера фази модела, слика 6.28, изведена је праћењем улазних и излазних показатеља, итеративним понављањем тестова на моделу са задатим фази условима и поремећајним утицајима. Симулациона тестирања су понављана до постизања „засићења” излазних вредности излазних параметара, односно до постизања просечних вредности излазних параметара са одступањима мањим од ±5(%) као дозвољеном индустријском грешком. На сликама 6.29. до 6.38., приказан је део излазних резултата симулационих тестова. Резултати тестирања показују високу, готово функционалну корелативност улазних и излазних моделских параметара са коефицијентима корелације већим од 0,87, слика 6.39. Упоредна анализа моделских и стварних процесних параметара показује да одступања не прелазе 0,11, односно да нису већа од 11(%), слика 6.40. Резултати показују да постављени фази модел добро осликава процес чишћења угља у аутогеној суспензији, тренд нпр. промене садржаја пепела у ровном угљу резултује еквивалентним трендом али са мањим садржајем пепела и у чистом угљу, слике 6.30 и 6.35. Слика 6.40. Одступања моделских и стварних процесних показатеља (ордината: величина одступања, x100%). Постављени фази модел омогућава симулацију процеса чишћења угља, са исходним показатељима који до 11(%) одступају од показатеља стварног процеса. Овакав резултат експерименталних тестова развијеног фази модела процеса чишћења угља у аутогеној суспензији, на примеру постројења површинског копа „Богутово село” ослоњен је на: 1. Поузданост и квалитет улазних података из реалног процеса; 2. Адекватно постављен процесни алгоритам и симулациони модел; и 3. Коректно изведену естимацију и фазификацију моделских параметара. Модел може послужити као ефикасан адаптиван алат у анализама и проучавањима процеса чишћења угља и код доношења одлука у проширеном или реалном времену. При променама улазних параметара и поремећајних утицаја у регуларним оперативним границама, фази модел има брз одзив, што га препоручује као асистирајући алат за вођење процеса по задатом (оптималном) режиму. Неиспуњавањем било ког од наведена три услова, модел губи атрибут поузданости. У поређењу са детерминистичким моделима, и ако та анализа није била у фокусу ових истраживања, са знатном сигурношћу може се закључити да је предност фази моделовања: релативна једноставност, флексибилност, лака и брза прилагодљивост проблему или процесу, и мања математичко-моделска сложеност. 7. ЗАПАЖАЊА И ПРЕДЛОГ ДАЉИХ ИСТРАЖИВАЊА Теоријска, тест експериментална истраживаља и анализе изведене у оквиру дисергације, по обиму и структури су такве да омогућавају објективно генерисанл кључних оцена и закључака. Свака научна теорија поседује структурне и семантичке аспекте. Структурни аспекти су формални и односе се на облике и узајамне односе изнетих поставки и тврдњи. Семантички аспекти су неформални и односе се на значење. важност и објашњење поставки и тврђења у контексту предмегног проблема (М. Месаровић, 1972) [54]. У том смислу тумачење рудничког(их) производног(их) процеса, у принципу је идентично тумачењу сваког производног процеса, као низ активности изведених по одређеном поступку ради остваривања дефинисаног(их) циља(ева), освајан>а и добијања минералне(их) сировине(а), производње концентрата или финалиих производа, нпр. фађсвинскнх материјала (опека, цреп, цемент,...), пигмената и сл. Основне две одлике, односно два основна обележја рудничких производних процеса су: 1. Остваривање производње у условима ризика или неизвесности; 2. ВертикаЈ-та хијерархијска структура са више нивоа и повратном спрегом. Остваривање производње у условима ризика претпоставља да се производња одвија у измењивим амбијенталним условима које је могуће дефинисати вероватноћом догађања. У случајевима када постоје ситуације (стања) које се не могу дефинисати вероватноћом догађања, већ се само зна да се могу десити, реч је о производном процесу који се одвија у условима неизвесности. Ровни угаљ се у знатном броју случајева не користити директно без претходног третирања којим се побољшава његов квалитет смањивањем садржаја пепела, сумпора, влаге, и повећава топлотна моћи. Постројења за чишћење угља у принципу раде са вишеструким циклусима чишћења. Чист угаљ из постројења треба да задовољи више услова квалитета: садржај пепела, сумпора, топлотна моћ, проценат влаге, итд. Ефекат промене радних параметара постројења за чишћење угља одражава се на количине чистог угља, оптимално искоришћење постројења може се постићи само ако сваки процесни циклус доприноси побољшању квалитета угља. Конвенционални-детерминистички приступи управљања процесом побољшања квалитета угља, процес чишћења оптимизирају уважавањем једног или више критеријумских параметра. У случајевима када овакви приступи постају сложени, гломазни, нерационални за примену, фази логика пружа могућност превазилажења проблема. Циљеви управљања процесом чишћења угља су осим постизање захтеваног квалитета а самим тим и цене финалног производа, високо временско и капацитетно искоришћење постројења, ниски трошкови одржавања, енергетска ефикасност, ефикасност коришћења расположивих ресурса и радне снаге, еколошка безбедност итд. У савременом погледу на овај проблем, један од полазних предуслова остварљивости постављених циљева, је расположивост адекватног квантитативног моделског алата. Претпоставка успешног моделовања процеса чишћења угља, подразумева аквизицију и обраду великог броја података у реалном времену и мултиваријабилност улаза и излаза система. Улазне променљиве имају различите утицаје на понашање система и одвијања процеса, могу бити интерактивно спрегнуте са тешко мерљивим међусобним везама и врло отежаном идентификацијом приоритета и рангова утицаја. Присутнe су још две отежавајуће околности, једна је да овакви процеси у принципу, имају нелинеарна својства, која су последица ограничења, засићења, реманенције или хистерезиса процесних променљивих. И друга, да су поремећајни спољни и интерни утицаји најчешће стохастичке природе, тешко предвидљиви. Све ово веома усложњава и отежава моделовање процеса чишћења угља конвенционалним математичким алатима, који у већини случајева почивају на претпоставци временске непроменљивости описних коефицијента и линеарности променљивих. Претпоставка о непроменљивости у времену није у сагласности са реалним процесима, без обзира што су то у принципу спори или веома спори процеси - промене се не дешавају у секундама, милисекундама и сл. Решење проблема нуде математичко-моделски алати базирани на филозофији фази (fuzzy) логике, меког (sofctomputing ) израчунавања и на принципима трагања кроз податке (datmining ). На основу претходног, мишљења смо да за напредак и побољшања постојећих и развоја нових техничко-технолошких решења чишћења угља није довољан и исплатив само технички и технолошки помак. За померање напред неопходан је и напредак у развоју и имплементацији квантитативних логистичких алата за подршку одлучивању и управљању процесима чишћења угља. У том смислу реализована су бројна истраживања о чему казују кратки прикази појединих истраживања у поглављу 3. На основу прикупљених информација и сазнања стечених у току реализације истраживања на овој дисертацији, изведена је генерализација закључка која говори о незадовољавајућим резултатима до сада реализованих истраживања и примена квантитативних метода за подршку одлучивању и управљању процесом чишћења угља. Као основни узрок, издвојена је сложеност проблема, и поједностављени једнокритеријумски приступ у решавању ове класе задатка. Централизованост и селективна проходност представљају основ за устројство физичке и логичке топологије надзорно-управљачких система, и потребу фазификације бар три слоја у хијерархијско-логичкој структури: A. На нивоу уситњавања; B. На нивоу чишћења угља у аутогеној суспензији; и C. На нивоу чишћења угља у циклонима. Истраживање и анализе показују да интегрисани систем за подршку одлучивању и управљању у циљу оптималног вођења процеса чишћења, успостављен са минимално три хијерархијска нивоа, обезбеђује: 1. Процесирање фази података; 2. Одзив у реалном времену са донетим одлукама на фази логици; 3. Варијабилност, оперативност и скалабилност система; 4. Ефикасна реализација управљачке логике; 5. Пренос података из реалног процеса према командном месту и селективно према вишим хијерархијским нивоима; 6. Обраду, интерпретацију и приказ података у реалном времену; 7. Филтрацију података и селективна дистрибуцију; 8. Повратна дејства на кључне процесе реалног система; 9. Расположивост додатних информација (у проширеном времену). У сету запажања, као посебно значајно издваја се да је развијени фази симулациони модел, успешно тестиран на примеру постројења за чишћење угља површинског копа „Богутово село” Рудника и термоелектране Угљевик, поуздан адаптиван алат за анализу процеса чишћења угља и код доношења управљачких одлука у проширеном или реалном времену. При променама улазних параметара и поремећајних утицаја у регуларним оперативним границама, фази логички модел има брз одзив, што га препоручује као ефикасан асистирајући алат за вођење процеса по задатом (оптималном) режиму. Неиспуњавањем било ког од наведених услова, модел губи атрибут поузданости. У поређењу са детерминистичким моделима, и ако таква анализа експлицитно није изведена у оквиру ових истраживања, мишљења смо оцењујемо да су предности фази модела у: релативној једноставности, флексибилности, лакој и брзој прилагодљивости проблему или процесу, у мањој математичко-моделској сложености описа реалног система. Мишљења смо да би у школовању рударских инжењера, пре свега стручњака за припрему минералних сировина, требало унапредити наставу увођењем предмета из системских наука, математичког моделовања и рачунарски интегрисаних технологија. То би према помогло и убрзало процес увођења и примене ових приступа у теорију, инжењерство и производњу. 8. ЗАКЉУЧАК Подршка одлучивању и оптимизација процеса чишћења угља, базирана на меком рачунању, односно фази логици, представља актуелно подручје данашњих истраживања. Актуелност подручја, можда најбоље осликавају н потврђују резултати претраживања библиографских и фактографских извора информација на Интернету, а то је: 6.210 резултата претраживања, више од 20 реномираних часописа који објављују радове са темама из ове области, неколико периодичних научних скупова међународног и регионалног карактера и 140 литературних твора коришћених током израде ове дисертације. Програмом планирана истраживања у оквиру дисертације, примерено расположивим материјалним могућностима и окружујућим условима, са задовољством констатујемо да су н на теоријском и на практичном плану у целини реализована. Па бази постављеног процесног алгоритма и структурног модела чишћења угља у аутогеној суспензији, развијен је фази симулациони модел у програмском амбијенту MATLAB са модулом SIMULINK. На примеру постројења за чишћење угља површинског копа „Богутово село" Рудника н термоелектране Угљевик, извршена су тестирања модела. Она су показала применљивост и поузданост модела, која се огледа у одступањима излазних показатеља у односу на показатеље стварног процеса чишћења угља, у границама дозвољене индустријске 1решке. Модел се може ефикасно користити у аналитици, у виртуелним експерименталним истраживањима, при тестирањима током пројектовања постројења за чишћење угља и у логистици процесних надзорно- управљачких система, у проширеном или реалном времену. Реализована истраживања, не оцењујемо позитивно само кроз исходне резултате приказане у дисертацији, већ и кроз нова сазнања и искуства која ће надамо се бити од користи не само аутору већ и шире рударској струци. С обзиром на недовољну афирмисаност и скромну примену меког израчунавања и фази логике у данашњем рударству, дисертација има и скромну улогу промотора идеје о примени фази логике и користима које доноси. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Докторске дисертације Alternative Title An alternative name for the resource. The distinction between titles and alternative titles is application-specific. Doktorske disertacije Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Provenance A statement of any changes in ownership and custody of the resource since its creation that are significant for its authenticity, integrity, and interpretation. The statement may include a description of any changes successive custodians made to the resource. Докторати Mediator An entity that mediates access to the resource and for whom the resource is intended or useful. In an educational context, a mediator might be a parent, teacher, teaching assistant, or care-giver. Томашевић Александра Title A name given to the resource Фази моделовање чишћења угља у аутогеној суспензији Fuzzy Modelling of Coal Cleaning in Autoge Alternative Title An alternative name for the resource. The distinction between titles and alternative titles is application-specific. DD_Benovic Tomo Subject The topic of the resource меко рачунање фази логика моделовање чишћење угља soft computing fuzzy logic modelling coal cleaning Creator An entity primarily responsible for making the resource Беновић Томо Publisher An entity responsible for making the resource available Универзитет у Београду - Рударско-геолошки факултет Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2013 Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Миљановић Игор Слободан Вујић Чантурија Велентин Алексејевич Ћалић Надежда Вујошевић Мирко Rights Information about rights held in and over the resource Ауторство-Некомерцијално-Делити под истим условима 3.0 Србија (CC BY-NC-ND 3.0) Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource pdf Language A language of the resource српски Type The nature or genre of the resource text Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context AT-42833-0197 Description An account of the resource Чишћење угља у аутогеној суспензији је процес на чију ефективност и ефикасност утиче известан број чинилаца. У системском смислу то је релативно једноставан процес са неколико фаза, међутим у технолошком смислу процес усложњава променљивост карактеристика ровног угља на улазу и могуће промене техничко-технолошких перформанси постројења у коме се изводи раздвајање. Свакако ово је струци добро познато, и прихвата се као чињеница, али се поставља друго питање, питање постизања ефикасности система за подршку одлучивању и управљању процесом чишћења угља у условима када су промене чинилаца који утичу на процес флуидне и не лако предвидљиве. Бројна истраживања на ову тему била су у протеклом времену претежно усмерена ка моделима за подршку одлучивању и управљању, заснованим на конвенционалним детерминистичким приступима у комбинацији са математичком статистиком и вероватноћом, са резултатима који нису сасвим задовољавајући. Последњих деценија, развој фази логике и велики напредак у њеним применама у различитим подручјима и у рударству, отвара нове могућности и у области одлучивања и управљања чишћењем угља. Ово је утицало на идеју о изради ове докторске дисертације, а циљ је да се сагледају и истраже могућности примене фази технике као алата за подршку одлучивању и управљању, односно као алата за моделовање процеса чишћења угља. У том смислу, докторска дисертација садржајно обухвата осам поглавља у којима се од увода, преко проблема чишћења угља, општих погледа на теорију и примену фази логике, развоја алгоритма, структурног и фазификованог модела, и тестирања модела на примеру постројења за чишћење угља Рудника и термоелектране Угљевик, у завршном делу изводе поуке и закључци. На нивоу изведених истраживања модел је дао задовољавајуће резултате, са сазнањем да је фази логика погодан алат за решавање ове врсте проблема, а да поузданост оваквих моделских алата за подршку одлучивању и управљању не почива само на фазификацији улазних и процесних параметара, већ и на структуирању производног (моделираног) система, избору фази опсега и естимације по могућности што мањег броја параметара модела како би се што ефикасније описао реални процес. Coal cleaning in autogenous dense medium is a process whose effectivity and efficiency is influenced by a number of factors. In a system sense, it is a relatively simple process with several phases, however, in a technological sense, the process is made complex by the variability of the run-of-mine coal properties and possible variations in the technical and technological performance of the separation plant. This is well known to the professionals, and accepted as the fact, but the second question occurs, the question of achieving the efficiency of the decision making and management support system for coal cleaning processes, in circumstances when the process influencing factors variations are fluid and not easily predictable. Numerous research on this subject were primarily directed towards the models for decision making and management based on the conventional deterministic approaches in combination with mathematical statistics and probability, with results that were proven not to be satisfactory. During the last decades, the development of fuzzy logic and immense progress in its application in different areas as well as in mining is opening new possibilities in the area of decision making and management over coal cleaning processes. This has immediately generated an idea for this doctoral dissertation, with the aim of reviewing and exploring the possibilities in the application of fuzzy technique as the tool for support to decision making and management, i.e. the tool for coal cleaning modelling process. In this sense, doctoral dissertation contains eight chapters presenting the introduction, problems in coal cleaning processes, general views on the theory and application of fuzzy logic, development of the algorithm, structural and fuzzyfied model and testing of the model following the example of coal cleaning process at the Mine and Thermal Power Plant Ugljevik, with lessons learned and conclusion given in the final section. At this study level, the model provided satisfactory results, knowing that fuzzy logic is a suitable tool for solving this type of problem, and that reliability of such modelling tools for decision making support and management relies not only on the fuzzyfication of the input and process parameters, but also on the process of structuring the production (modelling) system, the selection of fuzzy range and estimation a few model parameters in order to describe the real process as efficiently as possible. coal cleaning fuzzy logic modelling soft computing меко рачунање моделовање фази логика чишћење угља