Способ контроля поведения сыпучего материала в барабанных окомкователях для уточнения результатов DEM-моделирования
Решаемая проблема. В ходе решения производственной задачи было разработано специальное устройство (капсула), которое может использоваться для контроля поведения шихты в агрегате с целью улучшения параметров ведения процессов и повышение их эффективности (Рис. 1).
Рисунок 1 – Концепт использования регистрирующих капсул в агрегате
Детали исследования. Методы определения движения шихты
Для оценки поведения шихты в оборудованиях барабанного типа предлагается использовать:
- Метод DEM-моделирования.
- Концепт устройства контроля степени износа футеровки барабанных окомкователей.
Классификация режимов движения
Выделяют от трех до пяти характерных режимов движения сыпучего материала в барабанном окомкователе: переката, водопадный, циклический, а также челночный и обкатывания. Первые три режима являются наиболее распространенными и наиболее полно характеризуют процесс окомкования. Вторые два режима: челночный и обкатывания по своей сути являются переходными между перекатом и водопадным режимами.
DEM-моделирование процесса окомкования
Ввиду того, что процесс окомкования протекает преимущественно в сыпучей среде, то для моделирования ее движения целесообразно применять метод дискретных элементов (DEM). Для решения данной задачи в программном пакете AutoCAD была реализована трехмерная модель аппарата. Далее построенная CAD модель была загружена в CAE средство для моделирования сыпучих материалов методом дискретных элементов Rocky DEM.
Так, можно сказать, что в окомкователе присутствуют сразу несколько режимов движения (Рисунок 2). В начале аппарата шихта перекатывалась в режиме перекатывания (режим 1), затем ближе к середине аппарата - в циклическом (режим 2), а ближе к выходу - в режиме обкатывания (режим 3).
Рисунок 2 – Результаты DEM моделирования окомкователя с выделением трех режимов движения сыпучих материалов, где 1 – перекатывание, 2 – циклический, 3 – обкатывание
Распознавание режимов работы окомкователя с помощью нейронной сети
Задача по определению режима окомкования (движения шихты) по ускорениям материала, являющимися косвенными параметрами, относится к задачам классификации. Для решения данного класса задач целесообразно применять методы машинного обучения, такие как нейросетевые классификаторы.
Преобразование траекторий в показания датчика
Для преобразования траекторий в показания датчика было использовано специальное программное обеспечение Matlab Sensor Fusion and Tracking Toolbox. Моделирование поведения инерциального измерительного модуля или IMU (Inertial Motion Unit) производилось при помощи инструмента Inertial Sensor Fusion.
Алгоритм обработки полученных данных для выявления режимов движения сыпучего материала
Для реализации классификации режимов движения барабанного окомкователя необходимо применить траектории заранее известного набора, включающего свободное падение, стационарное движение по окружности, залипание и т.д. Данный подход позволяет избежать накопление ошибки за счет распознавания элементов траектории и последующего формирования новой точки отсчета.
Изначально была опробована модель глубокой нейронной сети (DNN). Входными данными для нейронной сети являлись записи показаний акселерометров MEMS датчика. В качестве альтернативного метода была рассмотрена архитектура на основе LSTM (Long short term memory). Особенность данной архитектуры заключается в невосприимчивости к длительности временных разрывов в последовательности входных данных.
Топология нейронной сети на основе LSTM была идентична рассмотренной ранее, она так же имела входной слой из 600 нейронов, а перед выходным слоем расположен слой с функцией активации SoftMax. Основное отличие реализовывалось в скрытых слоях.
В целом, 20 численных экспериментов дали 10981 траекторий различного типа. Среди них наиболее часто встречающимся режимом является челночный – 30,7% от всего количества. Кроме того, использовался вспомогательный класс для прекращения анализа потока, если трекер покинул аппарат или ещё не попал в него (Скачек).
Заключение. Для апробации методики определения режимов движения сыпучих материалов в корпусе барабанных агрегатов при использовании капсул был проведен ряд численных экспериментов средствами DEM-моделирования. Были определены возможные траектории движения сыпучих материалов в окомкователе, которые были использованы для распознавания режимов движения шихт в корпусе технологического агрегата. Проведение всего 20 численных экспериментов позволило получить 10,981 траекторий различного типа. Более того, полученные модели частично воспроизводят наблюдения касательно работы реальных технологических агрегатов.