1. Repository at ChSTU
  2. Випускні кваліфікаційні роботи
  3. Бакалавр
  4. 174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти)
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6335
Title: Автоматизована система управління процесом виготовлення цементу
Authors: Нечипоренко, Ольга Володимирівна
Попов, Олексій Сергійович
Issue Date: Jun-2023
Abstract: В кваліфікаційній роботі проведено аналіз технологічного процесу виробництва цементу та обрано об'єкт управління з метою покращення якості готової продукції. Досліджені етапи технологічного процесу виробництва цементу, включаючи дозування компонентів, змішування, формування та висушування. Визначені критичні фактори, що впливають на якість готової продукції, такі як точність дозування компонентів та регулювання технологічних параметрів. Проведено аналіз різних об'єктів управління та вибрано той, на якому впровадження автоматизації технологічного процесу може мати найбільший позитивний вплив на якість готової продукції. Розроблено схему автоматичного регулювання з метою підвищення точності дозування та зниження ризику перерегулювання. Визначено параметри, які потрібно контролювати та регулювати для досягнення бажаних значень технологічних параметрів. Створено схему автоматичного регулювання, що використовує зворотний зв'язок для корекції роботи системи в реальному часі. Проведено налагодження та тестування схеми регулювання для перевірки її ефективності та відповідності встановленим критеріям. Інформаційний зв'язок оператора з об'єктом управління здійснюється за допомогою трирівневої схеми. Розроблено структуру інформаційного зв'язку, яка включає рівні доступу для оператора, інженера та адміністратора системи.
URI: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6335
Appears in Collections:174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Б_151_2023_Попов.pdf
  Restricted Access		1.14 MBAdobe PDFView/Open Request a copy
Show full item record


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Extracted text 
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ 
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ 
СИСТЕМ 
Пояснювальна записка 
до кваліфікаційної роботи 
освітнього ступеня «бакалавр» 
  
на тему: АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ ПРОЦЕСОМ 
ВИГОТОВЛЕННЯ ЦЕМЕНТУ 
 
 
 
 
 
 
Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу,  
групи АКІТС-2199 
 спеціальності 151 Автоматизація та 
комп’ютерно-інтегровані технології 
 Олексій ПОПОВ 
 (ім'я та ПРІЗВИЩЕ) 
Керівник Ольга НЕЧИПОРЕНКО 
 (ім'я та ПРІЗВИЩЕ) 
Рецензент Микола ОНИЩЕНКО 
 (ім'я та ПРІЗВИЩЕ) 
 
 
 
 
Черкаси 2023 року 
 
ЗМІСТ 
 
СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ ............................................ 3 
ВСТУП ............................................................................................................................ 4 
1 ОСНОВНІ ЗАВДАННЯ УПРАВЛІННЯ ПРОЦЕСОМ ЦЕМЕНТНОГО 
ВИРОБНИЦТВА ............................................................................................................ 6 
1.1 Головні фактори зниження енергоємності процесу ......................................... 6 
1.2 Аналіз параметрів якості виготовлення цементу ........................................... 12 
1.3 Аналіз систем керування цементного виробництва ....................................... 18 
2 ПРОЕКТУВАННЯ СИСТЕМИ РЕГУЛЮВАННЯ РІВНЯ ДОЗУВАННЯ 
ДОБАВОК .................................................................................................................... 24 
2.1 Розробка структурної схеми автоматизованої системи.................................. 24 
2.2 Розробка схеми інформаційних потоків .......................................................... 27 
2.3 Вибір засобів реалізації ..................................................................................... 29 
2.4 Схема зовнішніх проводок ................................................................................ 43 
3 РОЗРОБКА ІМІТАЦІЙНОЇ МОДЕЛІ ОБ’ЄКТУ ................................................... 45 
3.1 Моделювання управління рівнем завантаження млина ................................. 45 
3.2 Практична реалізація SCADA-системи ........................................................... 51 
ВИСНОВКИ ................................................................................................................. 57 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ .................................................................... 59 
 
 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 Розроб. Попов О.С. Автоматизована система Літ. Лист. Листів 
 Перевір. Нечипоренко О.В. управління процесом 2 61 
 Реценз. Онищенко М.В. виготовлення цементу.  
 Н. Контр.  Пояснювальна записка ЧДТУ, АКІТС-2199 
 Затверд. Лукашенко В.М.  
 
СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ 
 
АД – асинхронний двигун; 
АІС – автоматизована інформаційна система 
АРМ – автоматизоване робоче місце 
АЦІ – аналого-цифровий інтерфейс 
БК – блок коррекції 
БО – блок обробки 
ККД – коефіцієнт корисної дії 
КС – комп'ютерна система 
МК – мікроконтролер 
ОК – об’єкт керування 
ПЗ – програмне забезпечення 
ПК – персональний комп’ютер 
ПЛК – програмований логічний контролер 
ТП – технологічний процес 
ЦПП – центральний процесорний пристрій 
 
 
 
  
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 3 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
ВСТУП 
 
Актуальність роботи. Цементна промисловість є важливим фактором 
економічного розвитку, оскільки забезпечує виробництво основних будівельних 
матеріалів для житлового, промислового та інфраструктурного будівництва. 
Цемент має унікальні властивості, що дозволяють його використовувати для 
створення спеціальних конструкцій, таких як залізничні шпали, будівельні блоки, 
панелі, плити та інші вироби. Крім будівельної галузі, цемент також 
застосовується в нафтовій та газовій промисловості, але його використання в цих 
секторах становить невелику частку ринку. 
Цементне виробництво є складною динамічною системою з великою 
кількістю взаємозалежних процесів. Якість управління цими процесами 
безпосередньо впливає на якість продукції, оскільки якісний цемент є важливим 
енергоносієм і ресурсом для виробництва. Автоматизація цементного виробництва 
передбачає управління як основним технологічним обладнанням, так і 
допоміжними пристроями, такими як дозатори, млини, конвеєри тощо. 
Сучасні системи управління комплексами здатні забезпечити безаварійну та 
ефективну експлуатацію обладнання без прямого втручання оператора. Функції 
людини полягають у моніторингу працездатності та параметрів комплексу 
пристроїв у режимі реального часу. 
Технічний розвиток цементної промисловості пов'язаний з використанням 
більш продуктивних і удосконалених випалювальних та помольних агрегатів, 
дозаторів, які перевершують за потужністю раніше використовуване технологічне 
обладнання. Такий розвиток сприяє поліпшенню умов праці під час 
обслуговування обладнання. 
Метою кваліфікаційної роботи є розробка автоматичної системи 
регулювання рівня дозування добавок на базі SCADA-системи з метою зниження 
трудовитрат і підвищення ефективності виробництва. 
Основні завдання роботи включають: 
− аналіз функціонування цементного виробництва; 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 4 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
− досліження можливостей автоматизації технологічного процесу 
регулювання рівня дозування. 
− проектування автоматичної системи регулювання подачі добавок до 
клінкеру. 
Об'єктом дослідження є процес регулювання рівня завантаження мінералів 
до млина. 
Предметом дослідження є автоматизовані системи управління процесом 
виготовлення цементу. 
  
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 5 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
1 ОСНОВНІ ЗАВДАННЯ УПРАВЛІННЯ ПРОЦЕСОМ ЦЕМЕНТНОГО 
ВИРОБНИЦТВА  
 
1.1 Головні фактори зниження енергоємності процесу 
Виробництво цементу включає два основних етапи. Перший етап полягає в 
отриманні клінкеру, а другий – переробці клінкеру до дрібнофракційного стану 
шляхом додавання гіпсу або інших спеціальних добавок до суміші.  
З урахуванням тенденцій розвитку цементної промисловості, спрямованих 
на підвищення загальної ефективності виробництва, споживання енергії в цьому 
секторі постійно зростає. Збільшення обсягів виробництва, виконання вимог щодо 
захисту навколишнього середовища, посилення вимог до якості цементу та 
використання альтернативних джерел енергії – все це призводить до збільшення 
енергетичних витрат [1]. 
 
 
Рисунок 1.1 ‒ Структура споживання енергії обладаннням виробництва цементу  
 
Структура складових споживання загальної енергії в цементному 
виробництві може бути представлена на рисунку 1.1. 
Найважливішим обладнанням у виробництві цементу є піч для випалу 
клінкеру, яка обертається під час процесу випалювання. Проте, обсяг енергії, який 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 6 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
споживається піччю виробничого циклу, становить лише 25%. Набагато більший 
обсяг енергії загалом споживається процесом фінішного помелу.  
Згідно з розрахунками, наведеними у дослідженні [11], на виробництво 
однієї тони цементу витрачається 40% загальної енергії. Ці витрати не тільки 
пов'язані з електроприводом млинів, але також з тертям у подрібнювальному 
середовищі. Рівень цих витрат залежить від ступеня подрібнення сировини на 
попередньому етапі технологічного процесу. 
Сировина, яка використовується для виробництва цементу, має значні 
відмінності у фізико-технічних параметрах, таких як міцність і вологість. Навіть в 
одному родовищі можуть спостерігатися різниці у складі матеріалу. Тому для 
досягнення однорідного стану фінішної суміші використовуються технології, які 
передбачають коригування режимів для кожного виду сировини.  
Оскільки кожен режим має свої витрати енергії, мінімізування цих витрат 
одночасно для всіх компонентів цементної суміші є проблематичним. Особливо це 
стосується операцій подрібнення і змішування. Тому в цементному виробництві 
застосовуються три способи виготовлення цементу: мокрий, сухий і 
комбінований. 
Мокрий спосіб включає використання водного середовища для подрібнення 
сировини до утворення водної суспензії - шламу з вологістю 30-50%. У сухому 
способі сировинна шихта сушиться перед помелом або під час помелу, утворюючи 
дрібно подрібнений сухий порошок. В результаті на випал клінкеру подається суха 
порошкоподібна суміш. 
Комбінований спосіб поєднує мокрий і сухий способи підготовки 
сировинної шихти. Якщо базова технологія використовує мокрий спосіб, то шлам 
зневоднюється за допомогою фільтрів до вологості 16-18%, щоб піддати суміш 
випалу в печі. Альтернативною варіацією є використання сухого способу з 
подальшим гранулюванням до розміру 10-15 мм. 
Вибір технологічної схеми, послідовності операцій та обладнання 
визначається властивостями сировини, такими як твердість, вологість і 
однорідність. З урахуванням загальних світових тенденцій щодо економії 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 7 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
енергетичних ресурсів у виробництві цементу, стає очевидним, що мокрий спосіб 
виготовлення цементу не має перспектив. Тому, незважаючи на деякі переваги 
мокрого способу порівняно з сухим, подальше розширення цього способу було 
зупинено. 
При сухому способі обробки сировинних компонентів з підвищеною 
твердістю і помірною вологістю, висока твердість матеріалів, що піддаються 
подрібненню, вимагає їх попереднього подрібнення. Чим тонше роздроблені 
матеріали, тим менше енергії витрачається на їх подрібнення. Подрібнення 
матеріалів може проводитися в млинах за вологості не більше 1%. Проте, така 
сировина майже не зустрічається при видобутку, тому необхідно застосовувати 
технологію сушіння. Зазвичай цю операцію поєднують з подрібненням 
компонентів, які входять до складу цементу. Подрібнення і змішування 
компонентів досягається у кульових трубних млинах. 
Склад порошкової суміші вирівнюють і гомогенізують у залізобетонних 
силосах, використовуючи стиснуте повітря. Після гомогенізації сировини 
проводиться випал у запічних теплообмінниках, де вона нагрівається у 
підвішеному стані. Завершальний етап випалу відбувається в обертовій печі, де 
сировина розплавляється і формує кулясті зерна клінкера. 
В своїй спробі економити паливо, деякі практики намагаються збільшити 
об'єм обробки вологої сировини у кульових трубних млинах, які 
використовуються при сухому способі виробництва. Однак цей підхід є 
неефективним, що призводить до необхідності попереднього подрібнення 
матеріалів з високою вологістю до 25%. Для здійснення сухого способу 
використовують млини самоподрібнювання типу "Аерофол". Однак, у такому 
випадку сировина не встигає повністю висохнути, і тому потрібен другий етап 
подрібнення в кульовому млині. Це супроводжується додатковим процесом 
досушування, щоб одночасно з подрібненням отримати однорідну суміш 
сировини. 
Підсумовуючи переваги сухого способу виробництва цементу, можна 
зазначити, що використання потужних печей дозволяє знизити витрати палива 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 8 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
приблизно вдвічі, зменшити собівартість продукції на 10% і скоротити 
капіталовкладення при будівництві заводів на 50%. Однак варто враховувати, що 
приготування компонентів порошкової суміші ускладнює технологічну схему і 
збільшує кількість обладнання. Крім того, сухий спосіб виробництва ускладнює 
охорону навколишнього середовища і збільшує трудові витрати. 
Проте, здатність до застосування сухого способу обмежується вологістю 
сировини, яку необхідно переробити. Якщо вологість сировини перевищує 20-
25%, то для сухого способу потрібні витрати на сушіння. Тому, для виробництва з 
вологою сировиною, ефективніше використовувати комбінований спосіб, який 
дозволяє економити паливні ресурси. 
Комбінований спосіб виробництва базується на приготуванні суміші 
сировини вологою методом і використанні прес-фільтрів для видалення вологи з 
шламу. Якщо суміш подається на випал у формі гранул, то фактично 
використовується технологія мокрого способу, але з меншими витратами тепла на 
випал. Крім того, комбінований спосіб дозволяє знизити витрати палива на 30% і 
капітальні витрати на 10%, але одночасно збільшує витрати електроенергії на 15-
20%. 
При будівництві комбінованого способу використовується технологічна 
операція – грануляція. Це передбачає додавання 10-14% води у спеціальних 
грануляторах з тарілчастою структурою. Гранульована суміш піддається випалу у 
шахтних печах з конвеєрними кальцинаторами, що допомагає стабілізувати 
процес випалювання, поліпшити теплообмін і підвищити якість цементу.  
Однак комбінований спосіб вимагає більше тепла для випаровування 
доданої води та використання складніших конструкцій печей через складність 
технології грануляції. 
Висока енергоємність та недостатня ефективність методів подрібнення 
цементних сумішей призвели до пошуку шляхів для модернізації процесу 
подрібнення твердих матеріалів.  
В результаті, був розроблений метод подрібнення у кульовому млині з 
використанням замкнутого циклу. Цей метод має значні переваги, такі як висока 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 9 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
продуктивність та якість подрібнення, що сприяють його широкому 
впровадженню [2]. 
 
Рисунок 1.2 – Технологічна схема помелу із використанням замкнутого циклу 
 
На рисунку 1.2 зображена технологічна схема помелу з використанням 
замкнутого циклу: 
1. Система вентиляторів: Ця система складається з одного або декількох 
вентиляторів, які використовуються для циркуляції повітря в процесі 
помелу. Вони забезпечують потік повітря, що сприяє переміщенню 
сировини в кульовому млині та інших компонентах системи. 
2. Рециркуляційний елеватор: Це пристрій, який використовується для 
підйому і рециркуляції сировини в системі помелу. Він допомагає 
забезпечити неперервний потік матеріалу і контролює розподіл сировини 
в системі. 
3. Сепаратор: Цей компонент відокремлює помелений матеріал на більші і 
менші частинки. Він дозволяє видалити більші частинки, які 
потрапляють у систему помелу, і зберігає бажані розміри частинок для 
готового продукту. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 10 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
4. Силоси живлення: Це контейнери або резервуари, які використовуються 
для зберігання сировини перед подачею її до живильника млина. Вони 
можуть містити різні компоненти, які використовуються для 
виготовлення цементу. 
5. Фільтр: Цей компонент використовується для очищення повітря від пилу 
та інших домішок, що утворюються під час помелу. Він сприяє 
покращенню якості повітря в процесі та забезпечує дотримання 
екологічних стандартів. 
6. Циклони: Ці компоненти використовуються для відокремлення пилу і 
дрібних частинок з повітряного потоку, що відходить від системи 
помелу. Вони допомагають зменшити втрати цінних матеріалів та 
забезпечити ефективну роботу системи. 
7. Живильник млина: Це пристрій, який відповідає за подачу сировини до 
кульового млина. Він забезпечує рівномірну подачу матеріалу та 
контролює його потік для оптимального помелу. 
8. Вагові дозатори: Ці пристрої використовуються для точного 
вимірювання та дозування сировини, яка подається до кульового млина. 
Вони дозволяють контролювати кількість сировини і забезпечити 
стабільність процесу помелу. 
9. Кульовий млин: Це основний пристрій для помелу сировини. Він 
складається з кулі, яка обертається всередині спеціального барабана. Під 
час обертання куля меле сировину, розмелюючи її на більш дрібні 
частинки. 
10. Готовий продукт: Це кінцевий продукт, який отримується після помелу 
сировини. Він може бути використаний як компонент для виробництва 
цементу або інших будівельних матеріалів. 
Замикання циклу помелу досягається за допомогою рециркуляційного 
елеватора 2, через який помелений продукт подається до динамічного сепаратора 
3. Використання сепаратора забезпечує контроль над розмірами отриманих 
частинок продукту. Частинки потрібного розміру виводяться з обробки як готовий 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 11 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
продукт 10, тоді як недомелені частинки повертаються назад до кульового млина 
для повторного подрібнення. 
Завдяки введенню сепаратора порівняно з технологією відкритого циклу, 
можна зекономити до 30% енергії, оскільки видалення дрібної фракції продукту з 
процесу помелу полегшує роботу кульового млина. Використання сепаратора 
також має додаткову перевагу у запобіганні надмірному подрібненню фракцій 
продукту. 
Вибір технології залежить від властивостей використовуваної сировини. 
Основними критеріями при виборі є вимоги до якості продукції при мінімальних 
витратах палива, енергії та трудових ресурсів. 
 
1.2 Аналіз параметрів якості виготовлення цементу 
Основним показником якості цементу є міцність бетону, що утворюється з 
використанням цього цементу. Оцінка міцності цементу проводиться на основі 
параметрів тонкощі помелу складових цементної суміші [3]. Взаємозв'язок 
міцності цементу і параметрів тонкощі помелу пояснюється необхідністю 
подрібнення компонентів для створення реакційно-активних поверхонь під час 
гідратаційного процесу. Ця реакція відбувається шляхом дифузії від поверхні 
частинки до її внутрішнього шару. Міцність цементу, яка залежить від гідратації, 
оптимально залежить від розміру частинок. Найдрібніші частинки до 3 мкм 
забезпечують збільшену площу поверхні і необхідні для початкової міцності. 
Частинки розміром від 3 до 30 мкм мають найбільше значення для кінцевої 
міцності [4], оскільки вони впливають на досягнення остаточного результату. 
Тому керування процесом помелу цементу передбачає вимірювання 
параметра тонкощі помелу, який є критерієм для управління процесом помелу. 
Метод Блейна виник як спроба оцінити поверхню, яка підлягає 
гідратаційній реакції, шляхом вимірювання питомої поверхні отриманого 
продукту. Однак проблеми з автоматизацією вимірювань, низька повторюваність 
результатів і інерційність методу Блейна не дають можливості для оперативного 
управління процесом помелу на основі цих даних. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 12 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
Один з сучасних методів, що використовується для оцінки розмірів частинок 
цементу та їх розподілу по розмірам, – це метод лазерної гранулометрії. Цей метод 
дозволяє отримати детальну інформацію про розмір і розподіл частинок у цементі. 
Порівняно з іншими методами, лазерна гранулометрія має кілька переваг, таких як 
висока точність вимірювання та швидкість аналізу. 
Основною перевагою лабораторного приладу Mastersizer 2000, який 
постачається компанією Malvern Instruments Ltd, є можливість встановлення його 
безпосередньо в потік обробки цементного продукту. Це дозволяє проводити 
вимірювання без необхідності відбору зразків для лабораторного аналізу, що 
спрощує і прискорює процес контролю якості. 
Mastersizer 2000 (рис. 1.3) базується на принципі лазерної дифракції. Під час 
вимірювання, лазерний промінь спрямовується на частинки цементу, які 
розсіюють світло під різними кутами. Інтенсивність розсіяного світла залежить 
від розміру частинок: чим більша частинка, тим ширший кут розсіювання. Ці дані 
збираються за допомогою світлочутливого детектора і передаються до контролера 
пристрою для подальшого аналізу. 
 
 
Рисунок 1.3 – Гранулометр Mastersizer 2000 
 
Контролер Mastersizer 2000 автоматично обробляє дані про розсіяне світло і 
розраховує розподіл частинок за розмірами. Отримані результати можуть бути 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 13 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
відображені на дисплеї приладу або надруковані на принтері. Широкий діапазон 
вимірювання розмірів частинок становить від 0,01 до 2500 мкм, з похибкою 
вимірювання приблизно 1%. 
Завдяки використанню методу лазерної гранулометрії з використанням 
приладу Mastersizer 2000, отримання точних даних про розмір частинок у цементі 
стає більш доступним і зручним процесом. Цей метод дозволяє забезпечити 
високу якість і контроль розмірів частинок у цементі, що в свою чергу впливає на 
якість та міцність бетону, який отримують із цього цементу. 
Функція розподілу часток за розмірами у цементі має велике значення для 
оптимізації процесу помелу. Інформація про розмір і розподіл частинок дозволяє 
вносити корективи в режими роботи помольної системи, наприклад, змінюючи 
кратність циркулюючого навантаження або варіюючи асортимент мелючих 
кульок. 
Для керування роботою помольної системи використовуються дані, які 
отримуються з лабораторії, де проводиться аналіз розмірів частинок за допомогою 
лазерного гранулометру. Ці дані є цінною інформацією для встановлення 
оптимальних параметрів процесу помелу. 
 
 
Рисунок 1.4 – Лазерний гранулометр Insitec Dry 
 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 14 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
Однак, для оперативного та поточного керування помельною системою, щоб 
уникнути затримок у чеканні результатів аналізу з лабораторії, використовується 
лазерний гранулометр, який встановлюється безпосередньо в потік цементу. Це 
показано на рисунку 1.4. Таке рішення дозволяє отримувати миттєві дані про 
розмір і розподіл частинок під час самого процесу помелу. За допомогою цих 
даних оператор може вчасно втрутитися та змінити параметри роботи системи для 
досягнення бажаних характеристик помеленого цементу. 
Використання лазерного гранулометра в потоці цементу дозволяє 
забезпечити неперервний моніторинг розмірів частинок та забезпечує оперативне 
керування помельним процесом для досягнення оптимальних результатів. 
Встановлення лазерного гранулометра безпосередньо в потік цементу 
дозволяє отримувати дані про розмір і розподіл частинок в реальному часі. Ці дані 
оновлюються кожні 5 секунд, що забезпечує безперервний моніторинг процесу 
помелу. 
Надходження даних з лазерного гранулометра кожні 5 секунд дозволяє 
оператору оперативно контролювати режими роботи помельної системи. За 
допомогою цих даних можна визначати поточні характеристики розмірів частинок 
цементу і аналізувати їх розподіл. Ця інформація дозволяє оператору вживати 
відповідних заходів для керування процесом помелу та досягнення бажаних 
параметрів помеленого цементу. 
Безперервне керування ходом помелу стає можливим завдяки швидкому 
оновленню даних і оперативним діям оператора. За отриманими даними він може 
коригувати режими роботи, наприклад, змінювати кратність циркулюючого 
навантаження або асортимент мелючих кульок. Це дозволяє досягти оптимальних 
результатів в процесі помелу і забезпечує високу якість помеленого цементу. 
Такий безперервний моніторинг та керування помельним процесом на 
основі даних з лазерного гранулометра дозволяють ефективно використовувати 
ресурси, підвищувати продуктивність та забезпечувати стабільну якість 
виробленого цементу. 
Блок завантаження добавок на об'єкті цементного зводу 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 15 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
Блок завантаження добавок на об'єкті цементного заводу є важливою 
частиною виробничої схеми цементного виробництва. Цей блок відповідає за 
транспортування мінеральних добавок зі складу до обробного цеху за допомогою 
стрічкового конвеєра. Добавки попередньо пройшли процес подрібнення в 
молоткових дробарках та осушення в сушильному барабані. Далі, згідно з 
технологічною документацією, очищені та подрібнені частинки транспортуються 
в певному порядку до блоку виробництва клінкеру. 
Цей блок має вирішальне значення в системі виробництва цементу. 
Введення мінеральних добавок, які є мікронаповнювачами, під час помелу 
цементу позитивно впливає на гідратацію клінкерних мінералів, що сприяє більш 
повному використанню в'яжучих властивостей цементу. Введення мінеральних 
добавок у кількості від 25% до 40% під час помелу цементу не знижує, а навпаки, 
підвищує міцність бетону за однакової норми витрати цементу. Це дозволяє 
знизити витрати цементу в середньому на 25% для бетонних марок 300 і нижче. 
Основні завдання автоматизації на блоку завантаження добавок включають: 
− Запис підтримання та сигналізацію витрати продукту. 
− Контроль ваги сипучого матеріалу. 
− Контроль пуску та зупинки процесу. 
− Контроль рівня завантаження живильника. 
− Зберігання рецептів. 
Ці завдання автоматизації допомагають забезпечити точне та ефективне 
завантаження добавок на об'єкті цементного заводу. Точне дозування необхідних 
компонентів має вирішальне значення для підвищення якості продукції і зниження 
виробничих аварій на заводі. Це забезпечує постійний контроль над технологією 
процесу і гарантує неперервну роботу всього виробництва. Для безперервного 
подачі мінеральних додатків до установки на виробництві використовується 
тарільчастий живильник, як показано на рисунку 1.5. 
Живильник типу Т1 з рухомою таріллю складається з завантажувального 
патрубка, корпусу, дозувальної тарелі з формуючою канавкою, яка викидає ножі, і 
розвантажувального патрубка. Обертальні рухи тарелі здійснюються за 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 16 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
допомогою електродвигуна, редуктора і ланцюгового варіатора. Сипучий матеріал 
подається з бункера в завантажувальний патрубок, де нижнє днище є обертовою 
таріллю. 
Сипучий матеріал, який потрапляє в формуючу канавку, видаляється з зони, 
розташованої поза нижнім отвором завантажувального патрубка, за допомогою 
знижувального ножа. З нижнього днища корпусу сипучий матеріал видаляється з 
живлення за допомогою радіальної лопаті, прикріпленої до нижньої поверхні 
тарілі. Режим роботи тарільчастого живильника регулюється вручну шляхом зміни 
частоти обертання тарілі за допомогою варіатора. 
 
 
Рисунок 1.5 – Тарілчастий живильник 
 
Цей процес дозволяє точно дозувати сипучий матеріал і забезпечує 
ефективне функціонування блоку завантаження добавок на об'єкті цементного 
заводу. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 17 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
Живильник тарілчастого типу має кілька недоліків, які варто враховувати. 
Перш за все, він характеризується високою витратою дозованого матеріалу, що 
може призводити до втрат і збитків у виробництві. Крім того, регулювання рівня 
завантаження живильника є складним завданням, що може вимагати значних 
зусиль та часу. Крім того, відсутність контролю ваги дозованого компонента 
ускладнює процес контролю і точного дозування. 
1.3 Аналіз систем керування цементного виробництва 
Основним напрямком розвитку технології цементного виробництва є 
підвищення продуктивності помелу для досягнення кращих технічних показників 
і якості цементних виробів. Розмір частинок цементу має прямий вплив на 
тривалість процесів гідролізу та гідратації, що впливають на міцність цементних 
виробів. Тому, збільшення міцності цементу пов'язане з досягненням дрібного 
помелу. 
Проте, спроби отримати дрібний помел можуть стикатися з проблемою 
зниження продуктивності обладнання та збільшення витрат електроенергії. Тому 
дослідження в галузі помелу цементу акцентуються на поліпшенні технічних 
характеристик обладнання та використанні сучасних методів керування для 
досягнення оптимальних режимів роботи. 
Оптимальні методи керування дозволяють забезпечити баланс між якістю 
продукту і енерговитратами на процес помелу. Це досягається шляхом 
моніторингу відхилень в режимах функціонування, які впливають на якісні 
характеристики готового продукту. Важливим фактором є стабілізація взаємодії 
продуктів помелу з тілами мелення. 
Контроль ступеня завантаження млина впливає на якість цементу і об'єм 
енерговитрат. Перевантаження або недовантаження млина призводить до 
отримання недостатньо подрібненого або занадто подрібненого продукту. Тому, 
ефективне регулювання режимів помелу досягається за допомогою системи 
стабілізації швидкості обертання млина. Швидкість обертання млина регулюється 
електроприводом SСY згідно сигналу, що надходить від давача швидкості SE. 
Стабілізація швидкості обертання необхідна через нерівномірне навантаження 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 18 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
млина, що виникає внаслідок коливань характеристик сировини, що попадає на 
помел. Загальне покращення техніко-економічних показників виробництва 
цементу досягається шляхом мінімізації впливу коливань характеристик 
сировини, використання оптимальних режимів роботи та систем стабілізації. Ці 
заходи дозволяють забезпечити високу якість продукту, ефективне використання 
ресурсів та оптимальні енерговитрати у процесі помелу цементу (рис. 1.6). 
 
Рисунок 1.6 – Функціональна схема керування швидкістю обертання 
 
Другим важливим фактором, що впливає на ступінь завантаження млина і, 
отже, на стабільність процесу помелу, є точність дозування сировини, яка 
надходить до млина. Класичною схемою для забезпечення дозування є 
використання стрічкового конвеєра.  
Функціональна схема процесу дозування зображена на рис. 1.7. Сировина, 
яка може включати різні компоненти, подається на стрічковий конвеєр, який 
забезпечує рівномірне переміщення матеріалу. Для досягнення точності дозування 
використовуються дозатори, які регулюють кількість сировини, що надходить на 
конвеєр. 
Основна мета дозування – забезпечити точну кількість кожного компонента 
сировини для отримання потрібного складу суміші. Це важливо, оскільки 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 19 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
неправильне дозування може призвести до недостатнього або зайваго вмісту 
певних компонентів, що негативно вплине на якість і властивості готового 
цементу. 
Системи дозування мають бути дуже точними і надійними, здатними 
забезпечити стабільний потік сировини на млин. Точність дозування може бути 
досягнута за допомогою спеціальних датчиків, контролерів та автоматичних 
систем керування, які моніторять та регулюють процес дозування. 
Таким чином, точність дозування сировини є важливим аспектом процесу 
помелу цементу, оскільки вона впливає на ступінь завантаження млина і 
забезпечує стабільність процесу. Правильне дозування сировини гарантує 
отримання необхідного складу суміші і покращення якості готового цементу. 
 
 
Рисунок 1.7 – Функціональна схема процесу дозування 
 
Відповідно до алгоритму функціонування, інформація про масу матеріалу 
на конвеєрі та швидкість його руху передається до обчислювального пристрою, 
який розраховує витрати матеріалу живильника. Для досягнення необхідного 
рівня витрат використовується регулювання швидкості переміщення конвеєрної 
стрічки. Контроль та підтримка значення витрат є послідовним процесом, 
регулювання якого базується на аналізі гранулометричного складу продукту, який 
отримується на виході млина. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 20 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
Процес аспірації є важливим елементом формування якості цементу. Цей 
процес забезпечує видалення дрібних фракцій продукту і дозволяє підвищити 
продуктивність процесу помелу до 20%. Підвищення продуктивності досягається 
шляхом зменшення рівня агломерації частинок і уникання прилипання 
подрібненого матеріалу до поверхні тіл мелення. 
Зміна параметрів процесу аспірації призводить до зміни гранулометричного 
складу продукту помелу, що впливає на ефективність процесу помелу в цілому. Ці 
зміни впливають на розміри частинок і досягаються шляхом регулювання 
перепаду тиску на виході млина і після електрофільтрів. Керування перепадом 
тиску здійснюється на основі сигналів датчиків тиску PЕ (рис. 1.8), що дозволяє 
змінювати об'ємні витрати подаваного повітря і, відповідно, гранулометричний 
склад кінцевого продукту помелу. 
 
 
Рисунок 1.8 – Функціональна схема процесу аспірації 
 
Результати аспірації в значній мірі залежать від стабілізації параметрів 
кульового млина, включаючи: 
− Енергетичні витрати приводу млина. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 21 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
− Швидкість обертання млина при наявності збурень під час 
завантаження. 
− Значення витрат матеріалу живильника. 
Для досягнення встановлених вимог використовуються локальні системи 
регулювання. Однак, існуючі локальні системи автоматизації, які застосовуються 
для стабілізації цих параметрів процесу помелу, не вирішують задач оптимального 
керування процесами помелу. Тому для досягнення максимальної продуктивності 
обладнання при заданому гранулометричному складі продукту необхідно 
розробити систему керування, яка забезпечить виконання встановлених критеріїв. 
Схема аспіраційного процесу, що враховує взаємовплив параметрів процесу, 
представлена на рис. 1.9. Система включає нагнітальний агрегат, живильник, 
тракт аспірації, сепаратор і засувку, за допомогою якої регулюються витрати 
повітря, що надходить до тракту аспірації. 
 
 
Рисунок 1.9 – Схема процесу аспірації 
 
На рисунку 1.9 наведено схему аспіраційного процесу, де кожен елемент 
позначено відповідним номером: 
1. Нагнітальний агрегат – це пристрій, який забезпечує подачу повітря до 
системи аспірації. Він відповідає за створення необхідного тиску та 
потоку повітря. 
2. Засувка – це механізм, який регулює витрати повітря, що надходить до 
тракту аспірації. Вона контролює пропускну здатність повітряного 
потоку. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 22 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
3. Тракт аспірації – це система трубопроводів та каналів, через які 
просмоктується повітря з млина. Він служить для видалення дрібних 
фракцій продукту та підтримання необхідної аспірації. 
4. Живильник – це пристрій, який відповідає за подачу сировинного 
матеріалу до млина. Він забезпечує стабільний та регульований потік 
сировини для мелення. 
5. Сепаратор – це пристрій, який відокремлює дрібні фракції продукту від 
повітряного потоку. Він допомагає утримувати дрібні частинки продукту 
та забезпечує оптимальну гранулометричну композицію продукту. 
Ця схема демонструє послідовність та взаємозв'язок між різними 
елементами аспіраційного процесу, що дозволяє забезпечити ефективне та 
контрольоване мелення сировини. 
Процес мелення значно впливає на всі параметри, такі як: 
− Швидкість обертання млина під час мелення. 
− Ступінь заповнення об’єму млина. 
− Інтенсивність аспірації об’єму млина. 
− Динаміка живлення млина сировинним матеріалом. 
Ці параметри утворюють вектор керування процесом мелення, а результати 
цього процесу оцінюються за витратами енергії та отриманими показниками 
гранулометричного складу кінцевого продукту. Дослідження та оптимізація цих 
параметрів дозволяють досягти бажаних результатів у процесі мелення, 
забезпечуючи ефективність та якість кінцевого продукту. 
  
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 23 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
2 ПРОЕКТУВАННЯ СИСТЕМИ РЕГУЛЮВАННЯ РІВНЯ ДОЗУВАННЯ 
ДОБАВОК 
 
2.1 Розробка структурної схеми автоматизованої системи 
Регулювання рівня завантаження мінеральних добавок живильника, є одним 
із найважливіших аспектів, на які варто звернути увагу при модернізації 
цементного заводу. Використання певного виду добавок для цементу та бетону 
дозволяє виконувати різні функції: 
− Зробити цементний розчин більш стійким до вологості. 
− Підвищити або знизити рівень усадки цементу. 
− Відрегулювати виділення тепла. 
− Поліпшити декоративні властивості цементного розчину. 
− Відрегулювати щільність цементного тіста. 
− Зробити склад цементного розчину більш пластичним. 
Автоматизація цього процесу шляхом вдосконалення технологічних 
процесів та обладнання допомагає підвищити якість виробленої продукції. У 
ручному режимі керування існує кілька ризиків, які відрізняються за місцем і 
часом виникнення: 
− Зниження якості випусканого продукту. 
− Перевитрата дефіцитних та цінних компонентів. 
− Збільшення вартості готової продукції. 
АСУ ТП ЦЗ (Автоматизована Система Управління Технологічним Процесом 
Цементного Заводу) призначена для автоматичного та автоматизованого 
управління технологічним обладнанням в реальному часі відповідно до 
регламенту безпечного проведення технологічного процесу. Основні цілі 
створення АСУ ТП (Автоматизованої Системи Управління Технологічним 
Процесом) включають: 
− Оперативне отримання інформації про параметри технологічного 
процесу. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 24 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
− Збирання та попередня обробка даних від датчиків технологічного 
процесу, стану технологічного обладнання та виконавчих механізмів. 
− Автоматичне та дистанційне управління роботою обладнання та 
технологічними групами обладнання з контролем безпеки процесу. 
АСУ ТП установки вагового дозування виконує такі функції: 
− Автоматичне дозування для постійної подачі суміші на наступний етап 
технологічного процесу. 
− Ручне керування всіма вузлами для налагодження. 
− Запис та зберігання рецептів. 
− Автоматизований пуск і зупинка процесів подачі, дозування, змішування 
сировини та відпуску готової продукції. 
− Оперативне відображення інформації про технологічний процес, 
контроль за перебігом процесу, станом обладнання, дозуванням і 
змішуванням. 
− Отримання інформації про рецептуру суміші, роботу системи, 
моніторинг даних, ведення архіву та роздруківка інформації з архіву. 
Склад АСУ ТП включає: 
− Автоматизоване робоче місце оператора (АРМ оператора). 
− Пульт управління. 
− Прикладне програмне забезпечення. 
− Комплект датчиків і тезометричних ваговимірних електронних 
пристроїв. 
− Дозатор компонентів. 
У процесі розробки АС проводяться вимірювання рівня та ваги, а також 
необхідно забезпечити пуск стрічкових конвеєрів. 
Трирівнева структура АС побудована за принципом ієрархії і складається з 
трьох рівнів, як показано на рис. 3.1. 
Нижній (полевий) рівень системи складається з наступних пристроїв 
автоматизації: 
− Датчик рівня. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 25 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
− Тензодатчик. 
− Ваговий контролер. 
− Виконавчий механізм. 
На цьому рівні виконуються наступні функції АС: 
− Збір та передача сигналів аварійної сигналізації, стану та положення 
дозаторів. 
− Вимірювання параметрів технологічного процесу, таких як рівень та вага 
завантаження матеріалу. 
Зазначена структурна та функціональна система АСУ ТП спрямована на 
забезпечення ефективного контролю та управління технологічним процесом на 
цементному заводі. 
 
 
Рисунок 2.1 – Трирівнева автоматизована система 
 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 26 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
Середній (контролерний) рівень системи АС представлений 
комунікаційними інтерфейсами та локальним контролером (ПЛК). Функції, які 
повинен виконувати ПЛК, включають: 
− Збір, первинна обробка та зберігання інформації про параметри 
технологічного процесу. 
− Автоматичне логічне управління, регулювання та обмін інформацією з 
пунктами управління АРМ (Автоматизований Робочий Місце). 
Верхній (інформаційно-обчислювальний) рівень представляє собою 
локальну мережу, що об'єднує персональні комп'ютери та сервер бази даних. 
Комп'ютери диспетчера та операторів оснащені операційними системами 
Windows 8 і програмним забезпеченням SCADASimplight. 
На верхньому рівні виконуються такі задачі: 
− Збір та обробка даних з локальних контролерів, включаючи 
масштабування. 
− Синхронізація всіх підсистем для забезпечення єдиного часу в системі. 
− Формування технологічної бази даних (БД). 
− Формування звітної документації та протоколів подій. 
− Відображення інтерфейсу для безпосередньої взаємодії оператора з АСУ. 
− Формування звітної документації. 
 
2.2 Розробка схеми інформаційних потоків 
Схема інформаційних потоків включає три рівні збору та зберігання 
інформації: 
1. Нижній рівень (рівень збору та обробки): На цьому рівні представлені 
фізичні пристрої вводу/виводу, які отримують дані про аналогові та дискретні 
сигнали, а також інформацію про вимірювання та перетворення. 
2. Середній рівень (рівень поточного зберігання): Середній рівень 
представляє собою буферну базу даних, яка виступає як приймач та джерело 
даних. Крім того, вона виконує роль маршрутизатора інформаційних потоків від 
систем автоматики та телемеханіки до графічних екранних форм АРМ-пристроїв. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 27 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
На цьому рівні ПЛК формує пакетні потоки та інформацію. Сигнали між 
контролерами та між контролером верхнього рівня та АРМ оператора передаються 
по протоколу Ethernet. 
3. Верхній рівень (рівень архівного зберігання): На верхньому рівні 
здійснюється зберігання архівних даних. Це пов'язано з завантаженістю верхнього 
та нижнього рівнів. Інформація про параметри, що передаються в локальну 
обчислювальну мережу, включає верхній та нижній рівні завантаженості, 
сигналізацію відмови регулювальника, перевантаження та вагу дозованого 
компонента. 
Кожен елемент контролю та управління має свій ідентифікатор (ТЕГ), що 
складається з символьної стрічки. Ідентифікатор складається з трьох частин: 
1. AAA – параметр (3 символи) може мати значення: 
− VAV – маса нетто; 
− UPR – керуючий сигнал; 
− SKR – швидкість. 
2. BBB – код технологічного апарату (або об'єкта) (3 символи), можливі 
значення: 
− DOZ – дозатор; 
− L11 – стрічковий конвеєр L-1/1; 
− K02 – регулятор рівня. 
3. DDDDD – примітка (не більше 5 символів), можливі значення: 
− REG – регулювання; 
− AVARH – верхня аварійна сигналізація; 
− PREDH – верхня попереджувальна сигналізація; 
− PREDL – нижня попереджувальна сигналізація. 
Знак підкреслення «_» використовується як розділювач між частинами 
ідентифікатора. 
 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 28 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
2.3 Вибір засобів реалізації 
Для успішної реалізації проекту автоматизованої системи необхідно вибрати 
програмно-технічні засоби і провести аналіз їх сумісності. Програмно-технічні 
засоби АС включають в себе наступні компоненти: 
1. Вимірювальні пристрої: Вони відповідають за збір інформації про 
технологічний процес. Вимірювальні пристрої здійснюють вимірювання різних 
параметрів та передають отримані дані для подальшої обробки. 
2. Виконавчі пристрої: Ці пристрої перетворюють електричну енергію в 
механічну або іншу фізичну величину, щоб здійснити необхідний вплив на об'єкт 
управління. Вони працюють відповідно до обраного алгоритму управління та 
забезпечують виконання потрібних дій. 
3. Контролерне обладнання: Контролерне обладнання відповідає за 
виконання обчислювальних та логічних операцій. Воно забезпечує виконання 
розрахунків та керування системою згідно з заданими завданнями. 
4. Системи сигналізації: Системи сигналізації виконують функцію контролю 
та сповіщення про виникнення певних подій або станів. Вони допомагають 
виявляти проблеми або відхилення в роботі системи та надсилають відповідні 
сигнали або повідомлення.  
Правильний вибір програмно-технічних засобів та їх сумісність гарантують 
ефективну роботу автоматизованої системи. 
Мікроконтролер 
Існує декілька виробників мікроконтролерів, які можуть бути використані 
для реалізації автоматизованих систем. Деякі з них включають: 
1. ПЛК фірми Siemens: 
− Логічні контролери LOGO представлені в лінійці нижнього рівня ПЛК. 
Вони ідеально підходять для простої автоматизації та заміни таймерів. 
− ПЛК моделей Siemens S7-300 та Siemens S7-400 мають розширення за 
допомогою різних модулів [9]. 
2. ПЛК фірми Omron: 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 29 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
− ПЛК можуть бути білого і модульного типу, з різними рівнями технічних 
можливостей. 
− Програмоване реле серії ZEN дозволяє будувати систему автоматизації 
складних об'єктів [10]. 
3. ПЛК фірми Mitsubishi: 
− ПЛК Mitsubishi Electric відрізняються високою якістю, гнучкістю рішень 
та швидкодією [11]. 
 
4. ПЛК фірми TREI-50: 
− Контролер TREI-50 призначений для керування промисловим 
обладнанням і технологічними процесами. Він може складатися з одного 
основного блоку або розширюватися додатковими модулями [12]. 
5. Промислові контролери ОVEN ПЛК: 
− Вони відзначаються високою програмною необхідністю, продуктивністю 
та більшою внутрішньою пам'яттю [13]. 
6. Delta Electronics: 
− Програмні логічні контролери серії DVP виробництва Delta Electronics є 
високоефективними і доступними засобами для побудови систем 
автоматичного управління [14]. 
Порівняльна характеристика цих мікроконтролерів наведена в таблиці 2.1, 
що надана вище виробником. 
 
Таблиця 2.1 – Порівняльна характеристика виробників контролерів 
Кількість входів 
Частота 
Найменування Обсяг пам'яті та 
(швидкодія) 
виходів 
24 входи та 
Simens До 25 МГц До 2-х Мбайт 
16 виходів 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 30 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
24 входи та 
Omron До 100 МГц До 48 Мбайт 
20 виходів 
64 входи та 
Mitsubishi До 20 МГц 1 Гбайт 
64 виходи 
TREI - 50 До 50 МГц 8196 Мбайт До 2048 
8 входів та  
Oven 100 – 500 М Гц До 8 Мбайт 
16 виходів 
До 256 виходів та 
Delta Electronics 133 – 200 МГц 128 Мбайт 
виходів 
Для вирішення даної задачі було вибрано контролерне обладнання від 
рвиробника TREI. Конкретно, був обраний контролер TREI-5B-05, який показаний 
на рис. 2.2. Вибір був здійснений на підставі того, що аналоги, розглянуті раніше, 
були дорожчі з точки зору технічної впровадження. Для потреб автоматизації 
малих проектів було достатньо використати обраний контролер, оскільки він 
повністю відповідає поставленим технічним вимогам. 
 
 
Рисунок 2.2 – ПЛК TREI-5B-05 
 
Пристрої програмного управління з серій TREI-5B-04 та TREI-5B-05 
призначені для застосування в локальних і розподілених системах автоматичного 
контролю та управління технологічними процесами. Вони забезпечують 
ефективну роботу в відповідальних системах промислових підприємств з 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 31 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
нормальним і вибухонебезпечним виробництвом, а також в системах 
протиаварійних блокувань і захистів. 
Контролери TREI-5B-05 є єдиними російськими контролерами, які 
отримали сертифікат TUV на відповідність європейським нормам для 
використання в вибухонебезпечних виробництвах. 
Основні особливості контролера включають: 
− Монтаж на стандартну DIN-рейку; 
− Гнучка структура контроллера; 
− Проста інтеграція в системи як модуль розширення і інтелектуальних 
УСО на базі контролерів TREI-5B-04; 
− Розвинена система діагностики та сервісного обслуговування; 
− Повна бібліотека алгоритмів управління та регулювання; 
− Живлення від 24 В; 
− Можливість резервування живлення в модулях за допомогою двох 
незалежних шин; 
− Паралельна шина PT-BUS, що дозволяє збільшити кількість каналів 
вводу/виводу для модулів M900; 
− Різноманітні інтерфейси зв'язку, включаючи Ethernet 10/100, Bluetooth, 
MODBUS; 
− Послідовний обмін з віддаленими модулями УСО з можливістю 
дублювання та швидкістю до 2,5 Мбіт/с; 
− Пряме підключення каналів вводу-виводу, включаючи 220 В змінного 
струму; 
− Підтримка до 6000 фізичних каналів введення-виведення; 
− Діапазон робочих температур від -60 °C до +60 °C. 
Технічні характеристики контролера TREI-5B-05 наведені в таблиці 2.2. 
 
Таблиця 2.2 – Технічні характеристики TREI-5B-05 
Найменування параметра Значення 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 32 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
Номінальна напруга живлення 24VDC 
Допустимі відхилення напруги живлення 16–28 VDC 
Напрацювання на відмову 150 000 годин 
Електрична міцність ізоляції щодо ланцюгів 
 
живлення, В: 
– для ланцюгів каналів введення/виводу до 1500 
– для ланцюгів шин ST–BU SM та RS–485, не менше 1000 
Напруга живлення, номінальна 24 
Напрацювання на відмову, годин, не менше 150 000 
– опціонально від мінус 60 до 60 
Рівень вибухозахисту (при використанні бар'єрів 
[Exia] IIC 
TREI–B700) 
Ступінь захисту оболонки IP20 
Кількість каналів введення/виводу до 6000 
Кількість модулів введення/виводу: до 255 
– W900, що підключаються до інтелектуального 
 
модуля по шині PT– BUS 
– Flash-диск  
– М902Е від 32 Мб до 2 Г Гб 
Шина ST–BUSM RS–485 повний дуплекс 
2,4/ 9,6/ 1 9,2/ 115/ 
Швидкість обміну по шині ST–BUSM, кбіт/с 
250/625/1 250/2500 
Максимальна шина ST– BUSM без повторювачів, м 1200 
Індикація входів/виходів по кожному каналу є 
Вбудований енергонезалежний годинник реального 
є 
часу (RTC) 
Канали зв'язку із зовнішніми пристроями RS–232, RS–485, Ethernet 
 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 33 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
 
Рисунок 2.3 – Модуль M941A 
Модуль M941A, зображений на рис. 2.3, призначений для обміну даними з 
приладами низького рівня автоматизації (такими як перетворювачі), а також для 
зчитування інформації з датчиків, виконавчих пристроїв та інших пристроїв. Він 
також підтримує податковий ввід струму у діапазоні від 4 до 20 мА. 
Модуль M941A забезпечує введення сигналу в діапазоні (4 – 20) мА по двох 
проводовій лінії від струмового датчика, як активного, так і пасивного. Він також 
здійснює двосторонній цифровий обмін даними за допомогою тієї ж лінії, 
відповідно до HART-специфікації. Модуль може підключати інтелектуальні 
датчики та виконавчі пристрої з HART-протоколом у стандарті Bell-202, а також 
датчики, які використовують струмову петлю (4 – 20) мА, і не підтримують 
HART-протокол. 
Цей модуль має можливість підключення кількох HART-пристроїв до однієї 
лінії, що дозволяє скоротити витрати на кабельну продукцію, установку, 
налагодження і підтримку. 
Протокол HART є зручним при роботі з багатопараметричними пристроями, 
наприклад, рісходомірами, оскільки він дозволяє отримувати інформацію від 
одного HART-датчика про кілька змінних процесів (параметрів) по одній парі 
проводів. Постійна самодіагностика датчиків з HART забезпечує високу 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 34 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
надійність обладнання, оскільки інформація про стан HART-датчика передається 
у кожному циклі. 
Технічні характеристики модуля наведені в таблиці 2.3. 
 
Таблиця 2.3 – Технічні характеристики модуля M941A 
Найменування параметра Значення 
Кількість каналів 16 
Діапазон вхідного сигналу, А від 4 до 20 
Межі похибки, що допускається:  
– основний наведеної, % ±0,1 
–додатковий наведений температурний %/10 °C ±0,1 
Адресація модуля 8 бітна 
Тип зовнішнього інтерфейсу ST-BUSM 
Напруга живлення модуля, В номінальне допустиме 
24 від 16 до 28 
відхилення 
Індикація по кожному каналу 
Електрична міцність ізоляції ланцюгів аналогового 
1000 
введення щодо ланцюгів живлення, В, не менше 
Потужність, Вт, не більше 1,8 
Габаритні розміри модуля, мм 188х128х61 
 
Дозатор 
Загальною вимогою до дозуючих пристроїв є точна подача визначеної 
кількості продукції в задані проміжки часу для забезпечення технологічних 
процесів. Важливо, щоб подача продукції могла регулюватись незалежно від 
тиску у середовищі. 
Бункерні ваги складаються з ємності (бункера), в якому розміщений рідкий 
або сипкий продукт, та вагових датчиків, які знаходяться під ємністю. Може бути 
використано один або кілька датчиків. Бункерні ваги, які вбудовуються в 
технологічну лінію, використовуються для загального обліку вагованої продукції 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 35 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
і автоматичного дозування. Ваги можуть використовуватись як автоматичні вагові 
дозатори в дискретному режимі для матеріалів зі змінною або постійною масою 
дози. В останньому випадку це порційні автоматичні ваги, які використовуються 
для виготовлення матеріалів з постійними рецептурами для точного вимірювання 
продукту шляхом його взважування. 
Основні функції бункерних ваг включають: 
− індикацію, яка в режимі реального часу показує поточне вагове 
навантаження бункера з автоматичним збереженням цих даних в пам'яті 
вагового контролера (з автономним джерелом живлення) протягом 
фіксованого періоду часу (від годин до року); 
− сумування загальної кількості продукції та облік проміжкових та 
кінцевих результатів; 
− реєстрацію часу роботи ваги, якщо вона має вбудований хронометр; 
− виведення аварійних повідомлень на ваговий контролер та збереження 
цих подій у збереженій базі даних (спрацювання сигналу, що свідчить 
про наближення до переповнення ємності матеріалом, що взважується); 
− автоматичне управління дозуванням з використанням вагового 
контролера для заданих цілей; 
− можливість використання ПК для керування додатковими виконавчими 
механізмами. 
Усі зазначені операції можуть бути виконані одночасно, при врахуванні 
та/або дозуванні матеріалів. Сучасні бункерні ваги зазвичай працюють в 
автоматичному режимі і мають вбудоване програмне забезпечення. 
За схемою циклограми зведення для блоку завантаження мінералів потрібно 
вибрати бункер-дозатор для подальшої подачі матеріалу до сушильного барабана. 
Для вибору дозатора було проведено порівняльний аналіз наступних дозаторів за 
допомогою [15], [16], [17]. 
− ДВП-30У 
− ДВП ЗУ 
− ДВП-50У 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 36 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
− ДВП-ЗУХ 
Результати порівняння були занесені до таблиці 2.4. 
 
Таблиця 2.4 – Порівняльний аналіз дозаторів 
№ п\п Найменування Характеристики 
1 ДВП - 30У Довжина дозатора до 1500 мм 
Ширина стрічки 840 мм. 
Висота 970 мм 
Продуктивність до 6000 к г/год 
Межа похибки 0,15 % 
2 ДВП ЗУ Довжина дозатора до 650 мм 
Ширина стрічки 780 мм 
Висота 1300 мм 
Продуктивність до 1800 кг/год 
Межа похибки 0,5% 
3 ДВП – 50У Довжина дозатора до 1500 мм 
Ширина стрічки 840 мм 
Висота 1300 мм 
Продуктивність до 7 200 к/год 
Межа похибки 0,1% 
4 ДВП – ЗУХ Довжина дозатора до 650 мм 
Ширина стрічки 780 мм 
Висота 1300 мм 
Продуктивність до 1500 к/год 
Межа похибки 0,1% 
 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 37 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
 
Рисунок 2.4 – Бункер-дозатор 
З серед зазначених дозаторів для цієї роботи найкращим варіантом є ДВП-
ЗУ, як показано на рис. 2.4. Технічні характеристики цього дозатора, які 
представлені в таблиці 1, відповідають вимогам промисловості. 
Дозатор призначений для обліку загальної кількості та підтримки заданої 
витрати порошкоподібних продуктів. Програмний лічильник сумарної маси 
зберігає інформацію при раптовому вимкненні електроживлення і не доступний 
для ручної зміни.  
Робочий принцип полягає у точному зважуванні порції продукту та 
нарахуванні сумарної маси в програмному лічильнику.  
Принцип роботи: 
1. На початку циклу дозування вибирається живильник, відкривається 
шиберна засувка на обраному живильнику, і шнековий конвеєр живильника 
починає подавати продукт у вантажоприймальний ковшик. Подача продукту 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 38 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
зупиняється, коли досягнута задана маса. Здійснюється точне зважування та 
отримане значення додається до лічильника сумарної маси. 
2. Після команди розвантаження, днище кошка відкривається, і сформована 
доза вивантажується. 
3. Команда розвантаження може бути задана зовнішнім пристроєм або 
встановлена в таймері самого дозатора. У другому випадку забезпечується задана 
продуктивність (подача продукту в одиницю часу). 
Встановлення номінальної дози, продуктивності та зміни інших параметрів 
дозування здійснюється з пульта управління, на якому відображаються поточні 
значення параметрів роботи (маса дози, сумарна маса дози). 
Дозатор може використовуватись як автономний пристрій або бути 
включеним до різних технологічних ліній харчових та хімічних виробництв. 
Датчик рівня 
Для виконання завдань був проведений порівняльний аналіз різних рівнів 
немірів, що наведено у таблиці 2.5. Для розв'язання цих завдань було вирішено 
використовувати радарні рівні, оскільки ці прилади відповідають сучасним 
технічним стандартам і мають ряд переваг: 
− Надійна та стійка робота в умовах експлуатації навіть у найскладніших 
умовах. 
− Можливість застосування на резервуарах будь-якої форми та розміру. 
− Універсальність в застосуванні. 
− Відсутність рухомих деталей та контакту приладу з контрольованим 
продуктом. 
− Стабільні вимірювання, що не залежать від змін температури, довжини, 
вологості навколишнього середовища та усередині об'єкта контролю. 
− Можливість сконфігурувати систему вимірювання рівня типу "датчики - 
контролер" без використання додаткових пристроїв. 
− Наявність двохканального виконання, що забезпечує підвищену 
стабільність роботи навіть в умовах інтенсивних випарів і забруднення. 
Основні характеристики обраних радарних рівнів: 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 39 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
− Радарний рівень KRG-10 – надійний та простий у використанні прилад 
для вимірювання рівня до 30 метрів. Вимірювання рівня здійснюється 
шляхом вимірювання часу проходження мікрохвильових імпульсів та 
перетворення виміряної величини в аналоговий сигнал [20]. 
− ВМ 70 А – безконтактний прилад для безперервного вимірювання рівня 
рідин, паст, суспензій, шламів, складних матеріалів та стиснених газів у 
металевих апаратах, сховищах та бетонних бункерах навіть в найважчих 
умовах. Висока чутливість та покращене співвідношення сигналу до 
шуму забезпечують високу точність вимірювання. Має різні варіанти 
виходів, такі як струмові вихідні (Ex-e або Ex-i HART), релейний вихід 
та цифровий вихід RS 485 [21]. 
− Радарний рівень Р203Е – призначений для безконтактного вимірювання 
рівня рідких і сипучих продуктів, включаючи агресивні та 
вибухонебезпечні середовища, в діапазоні від 0,5 до 30 метрів. Працює 
незалежно від змін температури і тиску, що робить його придатним для 
використання в умовах, де інші методи вимірювання не ефективні [22]. 
 
Таблиця 2.5 – Порівняльний аналіз рівнемірів 
Найменування Виробник Технічні характеристики Країна 
1. Діапазон вимірювання 30 м; 
2. Робоча температура від мінус 40 до 
100 ° C; 
KRG - 10 Tokyo Keiki Японія 
3. Макс. Робочий тиск 64 бар; 
4. Точність виміру +/ - 10 мм ; +/ -
0,5% (>3,3 м); 
1. Діапазон виміру 40 м; 
2. Робоча температура від мінус 40 ° 
KROHNE 
ВМ 70 А C до 250 ° C; Німеччина 
Messtechnik 
3. Макс. Робочий тиск 64 бар; 
4. Точність виміру +/ - 10 мм; +/ - 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 40 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
0,3% (>3,3 м); 
1. Діапазон виміру 40 м; 
2. Робоча температура від мінус 40 ° 
C до 250 ° C; 
Р203E Relyx Японія 
3. Макс. Робочий тиск 64 бар; 
4. Точність виміру +/ - 10 мм; +/ -
0,3% (>3,3 м); 
 
Для вирішення цієї задачі було обрано радарний рівень виробництва 
російської компанії Ольвія, який позначений як Р20Е на рис. 2.5. Вибір цього 
рівня обґрунтовується тим, що порівняно з аналогами, він є більш доступним з 
точки зору технічної вартості, має кругову поляризацію і повністю відповідає 
поставленим технічним вимогам. Принцип роботи рівнеміра базується на вимірі 
різниці частоти радіосигналу, який випромінюється радаром, і частоти сигналу, 
який відбивається від поверхні контрольованого середовища. Після обробки 
сигналу генеруються цифрові (кодові) та струмові вихідні сигнали, які 
пропорційні поточному значенню вимірюваного рівня [22]. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 41 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
 
Рисунок 2.5 – Рівномір 
 
Технічні характеристики рівнеміра наведені в таблиці 2.6. 
 
Таблиця 2.6 – Технічні характеристики рівнеміру 
Найменування параметра Значення 
Діапазон виміру (0,5 - 30) м 
Параметри контрольованого середовища:  
Тиск До 1,6 МПа 
Температура - 40 до 50 °С 
Напруга живлення постійного або змінного струму 24 ± 2,4 В 
Потужність, В·А, не більше 5 
Вихідні сигнали  
За стандартом RS 485 
Цифровий 
(Протокол Modbus) 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 42 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
Струмовий (4 -20) Ма 
Опір навантаження, не більше 0,5 
Довжина кабельної лінії зв'язку для передачі 
До 1000 м 
вихідних сигналів 
Межі основної похибки ±1 см 
Параметри навколишнього повітря під час 
 
експлуатації: 
Температура Від - 40 до +50 °С 
До 95 % (35 °С) 
Відносна вологість 
 
Ступінь захисту від пилу та води, що забезпечується 
IP66 
оболонкою 
Вибухонепроникна 
Вибухозахист 
оболонка 
Показники надійності  
Напрацювання на відмову, щонайменше 105 год 
Середній термін служби 14 років 
 
2.4 Схема зовнішніх проводок 
Датчик витрат має вбудований перетворювач сигналу, який перетворює його 
в уніфікований струмовий сигнал з діапазоном (4 - 20) мА. Тензодатчик на 
дозаторі також перетворює сигнал з п'єзоелемента в уніфікований струмовий 
сигнал з діапазоном (4 - 20) мА. 
В якості кабелю обрано КВВГнг. Кабель конструктивно складається з 
мідних жил, які укладені в ізоляцію, а також в оболонку з пластику. 
Електротехнічний контрольний кабель КВВГ призначений для підключення до 
електроапаратури та електроприладів. 
Склад кабелю включає: 
− М'який дріт (жила); 
− Ізоляція (ПВХ пластикат); 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 43 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
− Поясна стрічка (стрічка ПЕТФ плівки); 
− Оболонка (ПВХ пластикат зниженої горючості). 
Ці кабелі використовуються для стаціонарного підключення до електричних 
приладів, апаратів та розподільних пристроїв з номінальною змінною напругою до 
600 В та частотою до 100 Гц. При прокладанні кабелів необхідно дотримуватися 
вимог ПУЕ, а також додаткових вимог для розділення ланцюгів: 
− Ланцюги сигналізації та управління з напругою 220 В змінного струму і 
24 В постійного струму повинні бути прокладені в різних кабелях. 
− Аналогові сигнали слід передавати за допомогою екранованих кабелів 
окремо від ланцюгів сигналів керування та сигналізації. 
− Сигнали управління та контролю для взаєморезервованих механізмів і 
пристроїв повинні бути подані у різних кабелях. 
− Ланцюги окремих шлейфів пожежної сигналізації мають бути 
прокладені у різних кабелях. 
  
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 44 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
3 РОЗРОБКА ІМІТАЦІЙНОЇ МОДЕЛІ ОБ’ЄКТУ 
 
3.1 Моделювання управління рівнем завантаження млина 
Враховуючи технологічну схему процесу помелу цементу, імітаційна модель 
системи керування може бути розбита на дві підсистеми: підсистема керування 
рівнем завантаження млина та підсистема керування процесом аспірації. Рівень 
завантаження та розподіл фракційного складу продукту, отриманого в результаті 
помелу, оцінюються відповідними датчиками. 
Подання процесу помелу кульового млина як об'єкта керування дозволяє 
формалізувати його імітаційну модель та створити можливості для розробки 
регуляторів процесів та їх налаштування. Керування процесом помелу цементу є 
складним через такі фактори: 
− Наявність технологічних обмежень щодо параметрів сировини. 
− Транспортні затримки в тракті помелу. 
− Потреба в статистичній обробці вимірювальних даних. 
− Нелінійність залежностей між параметрами, що характеризують процес. 
Отже, основним завданням моделювання об'єкта є знаходження адекватних 
описів зв'язків між вихідними (гранулометричними) характеристиками продукту 
та параметрами режимів, які впливають на процес помелу. Деякі з цих завдань 
вирішуються під час ідентифікації параметрів об'єкта.  
При комплексному вирішенні задачі керування враховуються всі фактори 
функціонування об'єкту, але перед розробкою моделі необхідно визначити вплив 
цих факторів на результати моделювання. 
Оцінка впливів дозволяє спростити модель для практичного використання, 
зокрема для реалізації на програмованому логічному контролері (ПЛК). Якщо 
пріоритетом є досягнення техніко-економічних показників обладнання, то 
критерій керування формулюється як досягнення максимальної продуктивності 
при мінімальних енерговитратах. Відповідно, модель повинна включати 
симулятори показників енерговитрат. У випадку задач керування, спрямованих на 
досягнення потрібної якості продукту, модель повинна відстежувати зміни 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 45 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
характеристик стану об'єкту під дією керуючих впливів. Для досягнення 
оптимального керування процесом помелу цементу, яке включає досягнення 
високої якості продукту та енергоефективності, використовується схема. 
Керуюча система, реалізована на персональному комп'ютері (ПК), 
координує функціонування двох підсистем: підсистеми керування аспірацією та 
підсистеми керування рівнем завантаження млина. Керуюча система формує 
керуючі впливи γ та Lзα, які вводяться в ці підсистеми. 
У цій системі існують збурюючі впливи, що можуть впливати на процес 
помелу цементу. Зокрема, зміни гранулометричного складу під назвою γ, рівень 
завантаження млина позначається ΔL, а зміни витрати позначаються ΔQ. 
Ця схема керування дозволяє враховувати різні впливи та збурення на 
процес помелу цементу, що дозволяє досягати оптимальних результатів з точки 
зору якості продукту та енергоефективності. 
 
 
Рисунок 3.1 – Функціональна схема моделі системи 
 
Система включає такі компоненти: регулятори, які базуються на 
перетворювачах частоти (ПЧ) та асинхронних двигунах (АД), напірний агрегат 
(відцентровий вентилятор), дозуючий конвеєр, давач рівня завантаження млина та 
пристрій для оцінки гранулометричного складу продукту. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 46 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
Регулятори, побудовані на базі ПЧ та АД, відповідають за керування 
роботою системи. Вони забезпечують регулювання швидкості обертання 
асинхронних двигунів, що використовуються в процесі, що залежить від потреби і 
параметрів системи. 
Напірний агрегат, який представлений відцентровим вентилятором, 
відповідає за аспірацію і відведення відходів в процесі помелу цементу. Він 
забезпечує витягування пилу та інших домішок, що утворюються під час процесу. 
Дозуючий конвеєр відповідає за точне дозування сировини в млин. Він 
контролює і регулює потік сировини, який поступає в процес помелу. Давач рівня 
завантаження млина вимірює та передає інформацію про рівень завантаження 
млина до системи керування. Це дозволяє системі належним чином регулювати 
процес помелу в залежності від навантаження. 
Пристрій для оцінки гранулометричного складу продукту аналізує та оцінює 
розмір і склад частинок, які утворюються в результаті помелу. Ця інформація 
використовується для контролю та оптимізації процесу. 
Проектування системи керування рівнем завантаження ґрунтується на 
математичному описі її складових. Контур керування рівнем завантаження, який 
представлений на рис. 3.1, формується за допомогою засобів керування 
сировинним та готовим продуктом. У склад засобів входять частотний 
перетворювач, привід конвеєра (дозувальника) та датчик завантаження. До 
структури контуру керування входить ПІД-регулятор. Проте, на етапі побудови 
моделі контуру, передаточний коефіцієнт ПІД-регулятора приймається рівним 1.  
Елемент «млин» є ключовим компонентом системи, який підлягає 
моделюванню. Його динамічні параметри визначаються передаточною функцією 
(12). Вхідним сигналом для цього елемента є значення витрат сировини, а 
вихідним сигналом є рівень завантаження млина (L). Рівень завантаження також 
залежить від витрат вивантаження готового продукту. 
Інші компоненти моделі, що відповідають за керування рівнем завантаження 
млина, такі як асинхронний привід, який керується частотним перетворювачем, та 
дозувальник, можна представити за допомогою передаточних функцій 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 47 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
аперіодичних ланок. Значення постійних часу та коефіцієнтів перетворення цих 
ланок визначаються під час ідентифікації об'єкта. 
Однією з особливостей функціонування системи керування завантаженням 
млина, яка моделюється у пакеті Matlab, як показано на рис. 3.2, є підтримка 
заданого завантаження в умовах збурень параметрів технологічного процесу та 
характеристик працюючого обладнання. Для імітації  таких збурень до схеми 
моделювання вводяться блоки підсумування та генератори сигналів збурень. 
 
 
Рисунок 3.2 – Схема моделі системи в пакеті Matlab 
 
Система керування складається з трьох контурів регулювання, як показано 
на схемі. Перший контур, внутрішній, стабілізує значення витрат сировини. 
Другий контур, шляхом зміни витрат дозування, регулює рівень завантаження 
млина. Зовнішній, третій контур, вирішує завдання оптимізації продуктивності 
процесу мелення. 
Для налаштування параметрів регуляторів використовується перехідна 
характеристика процесу з відкритим зворотнім зв'язком. Було встановлено, що 
завданням регулювання є підтримка рівня завантаження млина L=40%. 
Процес налаштування параметрів регулятора розпочинається з 
внутрішнього контуру регулювання. Шляхом замикання контуру з використанням 
негативного зворотного зв'язку по витратам сировини, що дозується, отримуємо 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 48 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
перехідну характеристику. Основним критерієм налаштування параметрів ПІД-
регулятора є вимога досягнення мінімального часу перехідного процесу без 
значного перерегулювання (менше 20%). Для здійснення налаштування 
використовуються вбудовані інструменти в середовищі Matlab. Результати 
налаштування параметрів ПІД-регулятора представлені на рисунку 3.3, де 
визначаються відповідні коефіцієнти. 
 
 
Рисунок 3.3 – Панель налаштувань Matlab 
 
Існує альтернативний підхід до розробки регуляторів, який забезпечує більш 
ефективне керування об'єктами з запізненням – це використання екстремальних 
регуляторів. Основна відмінність таких регуляторів від звичайних ПІД-
регуляторів полягає в тому, що керуючі сигнали у напрямку досягнення 
оптимального значення вихідного параметра видаються в дискретних інтервалах 
часу [13, 16]. 
Тому для оптимізації процесу мелення в третьому контурі регулювання 
використовується екстремальний регулятор. Його завдання полягає в підтримці 
оптимального рівня завантаження млина з метою досягнення максимальної 
продуктивності процесу і забезпечення енергозбереження. Оптимізація 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 49 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
здійснюється за допомогою нелінійної функції продуктивності Р (у відносних 
одиницях), залежної від рівня завантаження млина L. 
На сьогоднішній день існує кілька методів реалізації екстремального 
регулятора, таких як метод визначення похідної, ітераційні крокові алгоритми, 
фіксація екстремуму та використання пошукового періодичного сигналу. 
Одна зі схем регулятора, яка базується на визначенні похідної від 
оптимізованого параметра, використовується в екстремальному регуляторі. В цій 
схемі використовується властивість наявності екстремуму в статичній 
характеристиці об'єкта. За відомими властивостями, при перетині значення 
функції з точкою екстремуму, похідна змінює свій знак. Тому при значенні рівня 
завантаження млина L = Lopt похідна продуктивності Р, dР/dL, дорівнює нулю. 
Для визначення градієнта пошуку оптимуму регулятора, значення похідних 
входу dL/dt та виходу dР/dt функції (13) надходять до блоку обробки (БО) через 
диференціатори D1 та D2. 
В блоку обробки (БО) визначається знак похідної dР/dL. Значення 
коефіцієнта передачі блоку корекції (БК) визначається під час налаштування 
регулятора. Сигнал з виходу блоку корекції (БК) передається до виконавчого 
органу (дозувальника), який регулює рівень завантаження млина - об'єкта 
керування (ОК). 
В екстремальних регуляторах зазвичай використовується блок логіки, який 
визначає напрямок руху градієнту до максимуму. Однак у нашому випадку цей 
блок не потрібний, оскільки у лінійному об'єкті наперед відомо, що значення 
dР/dL = 0 при L = Lopt.  
За відсутності зовнішніх збурень екстремальний регулятор працює як 
звичайний регулятор, де основним завданням є збереження значення Up = 0. Саме 
зовнішні збурення ініціюють новий пошук екстремуму, спрямовуючись до 
відомого оптимуму. Збільшення величини зовнішніх збурень лише прискорює рух 
регулятора до точки екстремуму, що є перевагою цього типу регулятора. 
Варто відзначити, що відмінністю від класичних регуляторів, де 
застосовується негативний зворотний зв'язок, у сигналі корекції зворотного зв'язку 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 50 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
для об'єкта керування (ОК) використовується позитивне значення. Це впливає на 
коефіцієнт передачі блоку корекції (БК), який залежить від загального коефіцієнта 
передачі ОК. Оскільки при деяких значеннях процесу регулювання може стати 
нестійким, коефіцієнт позитивного зворотного зв'язку налаштовується таким 
чином, щоб загальний коефіцієнт передачі забезпечував стійкість процесу в точці 
екстремуму, тобто Кз = 1. 
Проведення імітаційного моделювання дозволило випробувати регулятор і 
зробити висновок про можливість відмови від зовнішнього контуру регулятора по 
завантаженню млина, який був використаний у схемі моделі. Це рішення було 
прийнято на основі більш ефективної роботи екстремального регулятора 
(зменшення рівня вихідних збурень) та погіршення стійкості регулювання 
процесу при використанні загального контуру PID-регулятора для завантаження. 
Під час процесу виходу на номінальний режим, при утриманні заданого 
рівня завантаження млина (40%), оцінюється його продуктивність. Ця 
продуктивність підтримується на максимальному значенні, навіть при зміні витрат 
продукту (Q) та зміні рівня завантаження при надходженні сировини для помелу 
(L). 
 
3.2 Практична реалізація SCADA-системи 
Для практичної реалізації системи керування процесом помелу компонентів 
цементу використовується SCADA-система. Такі системи передбачають 
комплексну автоматизацію і засновані на сучасних мікропроцесорних пристроях, 
які забезпечують необхідні комунікаційні та обчислювальні можливості для 
побудови потрібної архітектури системи. 
Система керування включає наступні підсистеми: 
− підсистема керування швидкістю обертання млина; 
− підсистема керування ваговими дозувальниками; 
− підсистема керування процесом аспірації. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 51 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
Якщо побудовано потужне виробництво процесів помелу, то з'являється 
верхній рівень керування, до перерахованих підсистем додається підсистема 
моніторингу функціонування технологічного обладнання та режимів процесу. 
На початковому етапі проектування були вибрані засоби автоматизації та 
програмований логічний контролер (ПЛК). Для реалізації контролера 
використовується програмне забезпечення Owen Process Manager (OPM). Це 
програмне забезпечення дозволяє забезпечити зв'язок між персональним 
комп'ютером (ПК) та різними типами первинних перетворювачів. Після запуску 
OPM на екрані ПК з'являється головне вікно, де користувач може створювати 
мнемосхему технологічного процесу. Для побудови цієї схеми необхідні наступні 
дані: 
− Параметри опитування периферійних пристроїв, які підключаються до 
інтерфейсу. 
− Тип адаптера, який створює зв'язок із вибраним інтерфейсом. 
− Типи адаптерів, які створюють зв'язок пристроїв з вибраним 
інтерфейсом. 
Оскільки ефективне керування процесом помелу компонентів цементу 
залежить від якості функціонування підсистеми дозування компонентів, в системі 
передбачається окремий контур керування дозуванням.  
На схемі, яку можна побачити на рис. 3.4, локальні засоби автоматизації 
підключаються до програмованого логічного контролера за допомогою інтерфейсу 
RS-485. Це дозволяє оперативно коригувати уставки керування процесом, 
підвищуючи продуктивність кульових млинів, навіть у разі об'єднання декількох 
млинів у потужний комплекс. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 52 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
 
Рисунок 3.4 – Схема керування дозуванням компонентів 
Підвищення продуктивності процесів мелення шляхом оптимізації 
параметрів регулювання сприяє зниженню енергоспоживання та використання 
обладнання в процесі мелення. Основне завдання оптимального керування 
полягає в формуванні оптимальних значень уставок витрат для дозувальників, 
враховуючи обмеженість керуючих впливів, забезпечуючи при цьому високу 
якість меленого продукту. 
Відповідно до алгоритму оптимізації, який представлений на рис. 35, 
шляхом формування вектору керування отримуються відповідні значення 
керуючих впливів для локальних контурів регулювання. 
 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 53 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
 
Рисунок 3.5 – Схема алгоритму керування дозуванням 
Для програмного забезпечення системи керування процесом помелу 
компонентів цементу використовується програмний продукт CoDeSys, який 
відповідає архітектурі ОВЕН. Функціональні можливості цього середовища 
програмування визначаються засобами візуального програмування згідно зі 
стандартом IEC 61131-3. CoDeSys являє собою програмне забезпечення (ПЗ) для 
програмованих логічних контролерів (ПЛК) і складається з двох частин: 
середовища програмування та системи виконання. 
Можливості імітаційного моделювання та налагодження взаємодії між 
людиною та машинним інтерфейсом (НМІ) системи керування вивчаються за 
допомогою програми, яка представлена на рис. 3.6. Ця програма розроблена в 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 54 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
середовищі CoDeSys [19] і дозволяє керувати моделлю млина за допомогою 
віртуального програмованого логічного контролера. Вхідними змінними є витрати 
сировини та значення вивантаження продукту, а вихідною змінною є рівень 
завантаження млина. 
 
Рисунок 3.6 – Схема моделювання завантаження млина 
Під час моделювання використовуються наступні змінні: 
Product_In_Set; Product_Out_Set – змінні, що відповідають за витрати 
сировини та продукту; 
Level_Load – змінна, що відображає рівень завантаження млина; 
Max_level_Load та Min_level_Load – максимальний і мінімальний рівні 
завантаження млина; 
Product_Input; Product_Output – змінні, що представляють витрати продукту. 
У програмі використовуються наступні оператори: 
LT, GT – бінарні оператори порівняння; 
SEL – бінарний оператор вибору; 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 55 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
Enable_Input; Enable_Output – оператори логічного типу. 
Взаємодія між віртуальним ПЛК Codesys, де розміщена програма (рис. 3.6), 
і середовищем моделювання Matlab, де емулюється процес завантаження млина, 
відбувається за допомогою OPC-сервера. Для забезпечення двостороннього зв'язку 
між програмами, в середовище Matlab вбудовано OPC-клієнт (рис. 3.7). 
 
 
Рисунок 3.7 – Схема моделювання взаємодії віртуального ПЛК та моделі млина 
 
Значення витрат сировини, які надходять у млин (вхід), та значення 
вивантаження продукту (вихід) встановлюються в програмованому логічному 
контролері (ПЛК) і передаються до Matlab Simulink. В моделі розраховуються 
значення динаміки рівня завантаження (Level), які повертаються до віртуального 
ПЛК. 
При необхідності результати роботи регулятора з різними налаштуваннями 
відображаються на графічному дисплеї. 
Використання розробленої схеми дозволяє вивчати взаємодію програмних 
засобів імітації та візуалізації, а також здійснювати пошук оптимальних значень 
параметрів керованого процесу. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 56 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
ВИСНОВКИ 
 
Необхідно продовжувати розвиток систем керування технологічним 
процесом цементного виробництва. Особлива увага має бути приділена 
об'єднанню системи керування технологічним процесом виробництва цементу з 
іншими системами в єдину централізовану мережу. 
В кваліфікаційній роботі проведено аналіз технологічного процесу 
виробництва цементу та обрано об'єкт управління з метою покращення якості 
готової продукції. Досліджені етапи технологічного процесу виробництва 
цементу, включаючи дозування компонентів, змішування, формування та 
висушування. Визначені критичні фактори, що впливають на якість готової 
продукції, такі як точність дозування компонентів та регулювання технологічних 
параметрів. Проведено аналіз різних об'єктів управління та вибрано той, на якому 
впровадження автоматизації технологічного процесу може мати найбільший 
позитивний вплив на якість готової продукції. 
Розроблено схему автоматичного регулювання з метою підвищення точності 
дозування та зниження ризику перерегулювання. Визначено параметри, які 
потрібно контролювати та регулювати для досягнення бажаних значень 
технологічних параметрів. Створено схему автоматичного регулювання, що 
використовує зворотний зв'язок для корекції роботи системи в реальному часі. 
Проведено налагодження та тестування схеми регулювання для перевірки її 
ефективності та відповідності встановленим критеріям. 
Інформаційний зв'язок оператора з об'єктом управління здійснюється за 
допомогою трирівневої схеми. Розроблено структуру інформаційного зв'язку, яка 
включає рівні доступу для оператора, інженера та адміністратора системи. 
Розглянуто засоби моніторингу, що дозволяють оператору отримувати необхідну 
інформацію про стан технологічного процесу та здійснювати необхідні дії. 
Таким чином, автоматичний контроль дозування дозволяє знизити 
ймовірність людських помилок та мінімізувати прямий вплив обслуговуючого 
персоналу на роботу цементного виробництва. Розроблений алгоритм 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 57 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
регулювання технологічних параметрів забезпечує ефективне використання 
ресурсів, таких як компоненти та електроенергія, а також точну підтримку 
необхідних характеристик готової продукції. 
При незначних змінах в програмній та апаратній частинах система 
керування технологічним процесом цементного виробництва може бути 
використана на інших подібних об'єктах. 
  
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 58 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 
 
1. Li Huajian. Effect of Fineness on the Properties of Cement Paste// Trans Tech 
Publications. Switzerland. – 2019. – Vols. 629-630. P. 366-370 // doi. l0.4028./ 
629-630. 
2. lsop P. Cement plant operations handbook for dry process plants / P. Alsop. – 
Tradeship Publications Ltd., Portsmouth, United Kingdom, 2021. – 159 p. 
3. Ömürden Genç. Energy-Efficient Technologies in Cement Grinding, High 
Performance Concrete Technology and Applications/ Salih Yilmaz and Hayri 
Baytan Ozmen, IntechOpen. – 2020. – (5th). – Р. 251-268. DOI: 10.5772/64427. 
https://www.intechopen.com/books/high-performance-concrete-technology-and-
applications/energy-efficient-technologies-in-cement-grinding 
4. Shi Hua HaoBing Hua LiuXin Yong Yan. Review on research of cement grinding 
fids and certain problems. / Key Engineering Materials. –2017. – Р. 295-299. 
5. Tsamatsoulis D.C. Optimizing the control system of cement milling: process 
modeling and controller tuning based on loop shaping procedures and process 
simulations / Brazilian Journal of Chemical Engineering. –vol. 31 no.1. – 2021. – 
Р. 23-39. 
6. Бабич М.П. Комп’ютерна схемотехніка / Бабич М.П., Жуков І.А. – К.: 
МКПрес, 2021. – 412 с. 
7. Кватер Т. Нейромережеві інформаційні технології контролю та діагностики 
динамічних об’єктів в умовах невизначеності / Кватер Тадеуш. – Львів: 
Видавництво Тараса Сороки, 2020. – 270 с. 
8. Мідюк П.І. Комп'ютерні системи підтримки прийняття рішень / П. І. Мідюк, 
О. П. Гожий, Л. О. Коршевнюк. – Київ, 2021. – 379 c. 
9. Модернізація системи управління вібропресом при виготовленні бетонних 
виробів URL: https://avr.in.ua/ua/a92462-modernizatsiyasistemy-
upravleniya.html (дата звернення 04.05.2023) 
10. Мроць Я. І. Автоматизація виробничих процесів. / Я. І. Мроць, В. Б. Савків, 
О. К. Шкодзінський, О. Л. Ляшук. – 2018. – 344 с. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 59 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
11. Николайчук Я.М. Проектування спеціалізованих комп’ютерних систем / 
Я.М. Николайчук, Н.Я. Возна, І.Р. Пітух / Навчальний посібник / – 
Тернопіль: ТзОВ «Терно-граф», 2020. – 392 с. 
12. Николайчук Я.М. Теорія джерел інформації / Я.М. Николайчук / Тернопіль: 
ТНЕУ, 2018. – 536 с. 
13. Опорний конспект лекцій з дисципліни «Теорія автоматичного управління» 
(Частина 1) для здобувачів вищої освіти на першому (бакалаврському) рівні 
за спеціальністю 151 – «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані 
технології» / Укл.: Николайчук Я.М., Возна Н.Я.– Тернопіль: Гал-друк, 2019. 
– 71 с. 
14. Остапенко Ю.А. Ідентифікація та моделювання технологічних об'єктів і 
систем керування: навчальний посібник / Ю.А Остапенко, В. М. Дубовой. – 
Вінниця: ВНТУ, 2019. – 308 с. 
15. Тимченко А.А. Основи системного проектування та системного аналізу 
складних об’єктів: Підручник: У двох книгах. Книга 1 Основи САПР та 
системного проектування складних об’єктів / За ред. В.І.Бикова.– К.: Либідь, 
2000.– 272 с. 
16. Томашевський В.М. Моделювання систем. / В.М. Томашевський – К.: 
Видавнича група BHV, 2019.– 352 с. 
17. Трегуб В.Г. Основи комп’ютерно-інтегрованого керування (інтегровані 
автоматизовані системи керування): Навчальний посібник. / В.Г. Трегуб – К.: 
НУХТ, 2021.– 191 с. 
18. Ужеловський В.О. Екстремальне керування продуктивністю помелу вапняку 
у двокамерному млині / В.О. Ужеловський, О.А. Руденко// Вісник 
Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. –2019. – 
№ 3 (21).– С.55-61. 
19. Черномордов В.А. Розробка математичної моделі млина для помелу 
цементного клінкеру / В.А. Черномордов, О. Г Шутинський// Матеріали ХІІІ 
Міжнародної науково-практичної конференції магістрантів та аспірантів. – 
2019. – С.194. 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 60 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата  
 
20. Шевчук Б. М. Методи визначення та відображення показників 
інформаційних станів об’єктів тривалого моніторингу // Комп’ютерні 
засоби, мережі та системи. – 2021. – № 4. – С. 78-85. 
21. Щербина В.Ю. Підвищення ресурсу роботи бандажів обертових печей // 
Вісник Національного технічного університету України «Київський 
політехнічний інститут». Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження. 
– 2020. – № 1. – С. 110-115. 
 
Лист 
ЧДТУ.232256.001 ПЗ 61 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата