系统优化设计

系统优化设计（共8篇）

系统优化设计 篇1

系统优化教学设计

组员：2014级4班 罗世淋201409140428 罗智 201409140429

一、教材内容分析

1．教材的地位和作用

系统优化是系统分析的深入，也是系统的结构和系统分析的综合，又是系统设计的基础，更是系统设计过程中的重要环节，它是是本书的重要内容之一。本内容是让学生“理解系统优化的意义，能结合实例分析影响系统优化的因素”。2．教学重点：系统优化的方法和一般步骤。

二、学情分析

进入系统的内容，学生的兴趣明显比前期活跃，显然系统分析的深入符合高二学生的智力发展需求。但是，学生在对某个系统的分析容易陷入原有的逻辑思维，而不能很好地应用系统的思想和方法分析和解决问题，不能很好理解系统优化的约束条件和影响系统优化的因素。因此，系统优化的约束条件和影响系统优化的因素成了本节教学内容上的难点。

三、教学目标

能结合生产生活中的实例，理解系统优化的意义，并能结合实例分析影响系统优化的因素。

四、教学资源准备

“技术与设计2”配套教具旋转木马30套（江苏南京宝高公司提供）、多媒体

五、教学流程

六、教学过程：

（一）引入新课（系统分析，承上启下）

情景设置：有一个农夫带一条狼、一只羊和一筐白菜过河。如果没有农夫看管，则狼要吃羊，羊要吃白菜。但是船很小，只够农夫带一样东西过河。请你帮农夫解决难题？

学生 ：

1、农夫带着羊首先过河，农夫回来；

2、农夫与狼过河，农夫与羊回来；

3、农夫搬白菜过河，农夫回来；

4、农夫与羊一起过河。

教师提问：说说你们对该系统分析的过程？

学生：问题的突破口在——狼与白菜能够共存！农夫、狼、羊、白菜和船组成了这个系统。系统中各要素是一个整体，都依赖农夫过河；最大的问题是“船很小，只够农夫带一样东西过河”和“没有农夫看管，则狼要吃羊，羊要吃白菜”的冲突。我们联系已知条件，做了一系列的分析实验，但是比较其他方案不能实现所有要素都安全过河。最后得出以上方案。

教师：你们的思维过程很有价值，很清晰。而且在系统分析的过程中抓住了系统分析的三大原则——整体性、科学性、综合性。

现实生活中，有很多产品在不断更新，系统在不断的升级。做任何事情我们都追求更好，希望投入尽可能少，回报越多越好。为了使系统达到最优的目标所提出的各种解决方法，称为最优方法。但是有很多复杂系统，实施方案五花八门、干扰因素四面八方，我们不可能的逐个比较权衡，或者漫无目的瞎蒙。因此我们有必要进行定性定量的科学分析，寻找系统最优值。

（二）新课教学

1．案例分析：

案例一 ：“农作物种植系统的优化——农作物间作套种”

槟榔林套种香草兰收益高

香草兰——香料之王，是藤本植物，需要有支柱攀缘，并要求适度的荫蔽。测定结果表明50%的荫蔽度有利于香草兰的生长发育。荫蔽有两种，一种是死荫蔽，通过修建人工荫棚的办法(用遮光网）达到控制荫蔽度的目的。这种方式需要水泥柱或石柱作为香草兰棚架或攀缘的支柱。另一种是活荫蔽：可选择天然树木或人工种植的椰子、槟榔等作物为活支柱，以控制活支柱树冠来调节种植园的荫蔽度。园地的选择要选择近水源且排水良好、有机质含量高、比较肥沃疏松的微酸性土壤；台风主风方向有良好屏障比较静风的向阳缓坡地或平地。

2002年，符良接受了中国热带农业科学院香料饮料研究所专家的建议，在槟榔林下套种了20亩香草兰种苗，通过对香草兰的水肥管理，使槟榔的产量较纯槟榔林提高15-20%。经过精心培育，现在棵棵香草兰上挂满了沉甸甸的豆荚。预计20亩香草兰到11月份总收入可达285000元。现场一位管理人员给记者算了一笔帐，40亩槟榔园年收入72万元左右，间种可使槟榔增收8万，再加上香草兰的收入，每亩土地较单纯种槟榔增收约9000元！经发酵生香的商品香草兰豆荚含有250多种发挥性芳香族成分及有机酸、糖、树脂、矿物质等丰富成分，香气独特，留香时间长达2～3年，被广泛用于高档食品和饮料的配香原料，在发酵业、化妆及医药等领域均有应用，具有用途广、经济价值高的特点。目前国内售价为1000～1200元人民币/千克。

教师提问：符良为什么选择活荫蔽种植，而不采纳传统的死隐蔽种植？

学生A：一块地种槟榔又种香草兰，提高了土地利用率；

学生B：对香草兰的水肥管理，使槟榔的产量较纯槟榔林提高；

学生C：槟榔可作为活支柱供香草兰攀爬，节省了石柱的费用；

学生D：槟榔叶子还可以遮光，节省遮光网的费用；

„„

教师总结：活荫蔽的改良不仅增产、增收还提高了土地利用率，可见活荫蔽系统比死荫蔽系统，功能更强大，效果更优。

教师提问：香草兰套种的收益如此诱人，我们为何不把香草兰套种到稻田里、麦田里，甚至套种到沙漠中与杨树为友呢？

讨论交流，小组汇报„„

X组：香草兰与水稻的生长土壤环境不同，不能套种；小麦的生长气候要求又有差异也不能套种；沙漠风沙大且土壤也不适合香草兰生长。香草兰种植受生长特性、地理环境、气候和天气等条件的约束，并不适宜随处种植，而且与矮个植物种植也没有体现出遮阳的优势或者节约石柱费用等优势，另外由于营养需求的差异，即使能共存在一块地如果没有实现增产目的，套种的系统优化没也就没有太大的意义„„

教师总结：系统优化的效果是理想的，但是不同情况的系统优化会遇到不同的约束条件，应该采取不同的手段和方法应对，使系统的目标在一定的条件中达到最大值。系统的优化都是为了发掘有限资源的无限潜能，使资源获得充分的利用，体现更高的价值，实现投入最小，效果最佳的目的。

又例如：云南一些山区农民的甘蔗生长缓慢,减产已成定局.为了减少旱灾损失,乘雨水来临之际,在甘蔗田套种玉米。

例如：建筑材料的改进也是一项优化技术，以往建筑物的墙体多采用实心砖，现在采用了空心砖，在保证强度、隔热隔音效果的同时，节省了材料。

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教师：案例中，目标与土地的单位面积农作物收益和之间的关系在技术中我们称为——目标函数；农作物的生长特性、条件、气候等因素对作物套种起着限制作用，并且是不能人为解决的，称为——约束条件；套种的技术水平、田间管理、病虫防治等对产量产值有直接影响，即影响因素，可见影响因素是可以人为调节的。最优方法通常是在一定人力、物力、财力资源条件下，使经济效果（如产值、利润等）达到最大，并使投入的人力、物力达到最小的方法。

教师：在生活中，我们经常会遇到一些复杂的数字问题，纯定量分析是不够的，我们常常是借助数学手段定量与定性结合的分析比较，寻求最优方案。这种用数学公式、图表等描述客观事物的特征模型的思想就是建模思想，建立的模型就叫数学模型。它是真实系统的一种抽象。

案例二：利润问题

某家具厂要安排一周的计划，产品是桌子和椅子。制作一张桌子需4平方木板及20小时工时，制作一张椅子需6平方木板及18小时工时；每周拥有木材板料600平方，可用工时400小时；每张桌子利润50元，每只椅子利润60元。按合同每周至少要交付8张桌子和5张椅子。假定所有产品都能销售，那么该每周生产桌子和椅子分别为多少时，利润最大？

教师提问：这里，系统需要进行最优化的目标是什么？

学生：获得利润最大值。

教师提问：利润受到哪些人为可调节的因素影响？

学生：每周生产桌子和椅子的数目。

教师提问：在这个利润问题的系统中，又存在哪些不能人为解决的约束条件呢？

学生：制作一张桌子需4平方木板及20小时工时，制作一张椅子需6平方木板及18小时工时；每张桌子利润50元，每只椅子利润60元。

教师：若把利润最大值用 表示，变量每周生产桌子数用 表示,每周生产椅子数用 表示，请你根据已知条件，列出求解最优化问题的有关数学式子。

其中(1)式体现了目标与产量、利润总和之间的关系,也就是目标函数。（2）（3）（4）（5）式则体现了约束条件。

教师：数学思维很清晰！下面就请大家算一算 的解，找出最大利润值。

„„

学生：算不出来！

教师引导：仔细观察这四个约束条件的式子，找出数据中体现出受限最大的约束条件是哪个？

学生：工时！

教师：好，请你将最主要的约束条件（3）与目标函数式（1）联系起来，看看你能不能发现影响因素 与最优值 的关系。

学生：生产椅子所需工时少利润大，生产桌子所需工时多利润反而小！生产的椅子越多利润越大。

教师：那我们干脆不生产桌子了，专门生产椅子，可不可以？

学生：不行，至少要生产8张桌子！

教师：哦，原来还有约束条件（3）的限制。那好我们就生产8张桌子，算一算意义子最多可以生产多少张？

学生：13张！

教师：8张桌子，13张椅子。把你们经过一番分析计算选择的这两个变量的解代入约束条件看看是否超出了约束条件的限制范围。

学生：都在约束条件范围内。

教师：再利用这两个变量的解，算一算利润最大值是多少？

学生：1180元。

教师：我们再随意找几对满足约束条件的 的解带入目标函数检验一下，1180是不是利润最大值。如：（每个小组分别用一对计算）

学生交流：

教师总结：以上计算表明，我们找到经过数学方法求出的就是最优值！回忆我们求解的过程，最优化方法解决问题的一般步骤：

（1）提出系统需要进行最优化的问题，收集有关资料和数据；

（2）建立求解最优化问题的有关数学模型，确定变量，建立有关约束条件，分析模型；

（3）选择合适的最优化方法；

（4）求解方程；

（5）最优解的验证和实施。

这种用数学公式、图表等描述客观事物的特征模型的思想就是建模思想，建立的模型就叫数学模型。数学模型是研究和掌握系统运动规律的有力工具，它是分析、设计、预报或预测、控制实际系统的基础。是我们在解决问题时，常用的一种方法。

2．应用：学生探究（2人一个小组）

要求学生分组利用提供的大、中、小三个大小不同的齿轮将上节课完成的旋转木马进行系统优化，看谁的木马转的又快又稳。

学生进行探究„„

A组：将传送带传送改为大齿轮带动，三个齿轮传送；

B组：将传送带传送改为中齿轮带动，三个齿轮传送；

C组：将传送带传送改为小齿轮传送，三个齿轮传送；

D组：齿轮与传送带一起赞成传送系统„„

小组比赛交流。

学生体会：皮带传送系统在木马旋转时，皮带容易出轨，同时因为速度太大使系统容易散架。针对这个问题，利用有限的资源，将皮带传送换成齿轮传送后，发现齿轮传送比皮带传送速度更快更牢固；再更换三种齿轮的带动比较，又发现大齿轮带动时，动力更足速度加大了稳固性能也增强了。

（三）小结

最优方法通常是在一定人力、物力、财力资源条件下，使经济效果（如产值、利润等）达到最大，并使投入的人力、物力达到最小的方法。

最优化方法解决问题的一般步骤：

（1）提出系统需要进行最优化的问题，收集有关资料和数据；

（2）建立求解最优化问题的有关数学模型，确定变量，建立有关约束条件，分析模型；

（3）选择合适的最优化方法；

（4）求解方程；

（5）最优解的验证和实施。

（四）课后探究

假如学校有2个学生食堂，正常情况下每个食堂能容纳500人就餐，近两年，学校规模扩大，就餐人数增加，每个食堂就餐人数达670人，每到就餐高峰期，学生就排着长队等待就餐。

如何减少学生就餐排队时间？提出解决这一问题的几种途径，并选择最经济、最有效可行、最容易实现的方案。运用系统分析方法，分步骤说明你的思考过程。

七、教学反思

苏教版教材的案例选择切题，但是有部分案例离我们所处的实际甚远。在教学的过程中我选用了教材中技术类的案例，拓展了我们对技术的视野；但是生活案例我倾向于改用我们身边的例子，大家熟悉，分析起来有亲切感、简单易懂又激发了学生自主参与的乐趣，刚好我校种有香草兰。故在本案例中将“麦、棉、瓜、玉米套种”案例换成“槟榔与香草兰套种”，实践证明效果很好，学生很感兴趣。本节课内容较多，学生探究活动时间就比较紧

系统优化设计 篇2

1 改造原因

(1) 矿井进回风巷道均为单巷, 为一对反斜井接主暗斜井串联进回风, 无并联巷道可以减小风阻R值, 造成通风阻力大。

(2) 矿井现有通风系统负压达到1700Pa, 等积孔0.904m2, 井巷摩擦风阻1.733N·S2/m8, 为大阻力矿井, 通风难易程度评价为难。

(3) 矿井井下有2个回采工作面, 3个掘进工作面, 10个硐室, 风量只能基本满足生产需求, 无富裕风量。

(4) 矿井副斜井回风巷兼作行人巷, 断面小 (6.02m2) 还安装有架空乘人装置和排水管路等, 造成风硐和副反斜井通风线路长度虽只占3.8%, 但通风阻力高达620.92Pa, 占全矿井通风阻力的32.2%。

(5) 主通风机为离心式, 电耗高, 且配备的电机功率不匹配, 不符合《规程》要求。

(6) 职工上下井全部行走在回风巷道内, 工作环境不好, 影响职工身心健康。

2 改造必要性及可行性

2.1 通风系统改造的必要性

矿井现有通风系统存在风量不足, 进、回风巷道为单进单回, 巷道断面偏小, 存在高阻力井巷, 且今后进入深部井田开采, 进、回风距离更长, 通风阻力更大, 必须对通风系统进行改造, 以满足开采深部井田的风量需求、保证矿井生产安全。

2.2 通风系统改造的可行性

(1) 目前矿井尚有可采储量370万吨, 服务年限17.6年。改造后的通风系统服务时间较长, 从长期生产的经济效益分析是可行的。

(2) 矿井供电、提升、排水等主要生产均能满足矿井年生产能力要求, 只对通风系统进行改造, 除立风井和更换风机需投资外, 补掘巷道主要沿煤巷掘进, 煤价款与工程款可持平, 改造工程费用较低, 从工程投资上是可行的。

(3) 新打立风井位于现有工广范围内, 不需另购地, 不增加道路、供电线路等设施, 不新增加压煤等, 从工业场地及对环境的影响分析是可行的。

(4) 改造工程量主要是井下巷道, 而井下各水平均已形成生产系统, 可分段施工, 新打立风井仅202m, 工程量不大, 且表土层仅几米厚, 无需特殊施工法, 施工方便、容易。

3 改造方案选择

通风阻力实测结果表明, 风硐和副反斜井长度为280.5m, 占矿井进回风线路7346.5m的3.82%, 而阻力高达621.14Pa, 占全矿井通风阻力的32.2%, 为解决高阻力巷道的问题, 更换大风机的方案不可行, 一是原高阻力巷道仍然存在, 增加风量后, 阻力更高;二是原风机房面积小, 风硐口小, 大风机无法安装, 因此必须打回风井筒、施工风硐。

3.1 方案1

新打回风斜井, 垂高202.4m, 倾角25°, 井筒斜长479m。巷道净宽3.6m, 净高3.4m, 断面10.84m2, 通风阻力为h= (479×12.45×0.008×49.682) ÷10.843=92Pa, 原内硐风阻R值为0.192N·S2/m8, 增加风量后阻力h=0.192×49.682=473Pa, 需补建一条风硐, 长度50m。回风斜井工程费用:479 (m) ×6500 (元/m) =311万元, 凿井措施费100万元, 风硐50m工程费用:25万元, 合计工程费用436万元。该方案需重新调整工业广场布局, 影响地面生产建设。

3.2 方案2

在井田深部新打回风立井, 井筒直径3.5m, 井深521m, 缩短通风距离1560m, 减少通风阻力721.5Pa, 需投入井筒工程费779万元, 还需征地、筑路、敷设供电线路、协调工农关系等, 且现征地手续多, 施工难度大, 投资大;施工立风井后, 需留设保安煤柱, 压覆可采储量近35万吨。

3.3 方案3

在工广内部新打回风立井, 选择在工广西侧空闲之地布置立风井、风道和风机房, 充分利用现有井下通风系统, 缩短前组煤400m, 减少原回风斜井和风硐通风阻力521Pa, 并且缩短第二段回风暗斜井、+36m井底车场共计缩短回风距离520m, 减少通风阻力150Pa;地面建设不影响现有工业广场布局, 不影响生产, 方便施工, 不购地;工程投资费用302.4万元。

方案比较:最后确定在工广内新打回风立井, 同时对井下部分巷道进行扩修, 以满足通风需要。

4 系统改造

4.1 补掘新行人进风暗斜井

在副暗斜井东侧40m处从+36m~-450m水平新掘辅助进风暗斜井, 沿十三层煤顶板掘进, 并安装架空乘人器升降人员, 全长1760m, 设计为矩形断面S=2.6×2.2=5.72m2。

4.2 改变回风路径, 缩短通风距离

将原前组煤回风经四层回风上山向北绕行西-300m~-195m水平上山、至二水平副暗斜井、副反斜井至地面通风线路改为前组煤必为经-300m水平后组11层石门至三水平回风暗斜井至地面, 可缩短回风距离400m。

4.3 扩大回风巷断面

将长度500m的二水平回风暗斜井断面由现在的5.72m2扩大至8m2, 减小通风阻力, 风速满足《规程》要求。

4.4 施工回风井

新打回风立井缩短第二段回风暗斜井、+36m井底车场共计缩短回风距离520m, 立井直径为3.5m, 风硐布置为2.5×2.5m2, 长度按35m, α=0.007, P=10m, S=6.25m2, Q=4 9.6 8 m3/s, 计算出风硐阻力为:, 加上其它局部通风阻力估算为100Pa, 较之改造前621.14Pa, 降低521Pa。

4.5 更换主通风机

淘汰原离心式风机, 选用FBCDZ-6-№18B型防爆对旋轴流式风机。

4.6 改造矿井行人系统

在新补掘的行人进风暗斜井内安装架空乘人装置。

矿井通风系统改造立风井工程于2008年8月至2009年9月5日施工完毕。井下工程自2008年10月开始经过近三年的时间先后完成了二、三水付井1760m施工、一水平副反斜井升级改造任务, 至2010年11月2日通风改造全部完成, 12月1日矿井委托山东公信安全科技有限公司进行了通风阻力测定。

5 改造后效果

改造前, 矿井通风方式为中央并列式, 一进一回, 主井进风, 付井回风, 主提风机两台为4-72-11-№20B型风机, 分别配备9 0 k W和9 5 k W电动机, 实际进风量为1980m3/min, 矿井总回风量2070m3/min, 有效风量率86%。矿井等级孔0.904m2。改造后, 矿井实现了两进一回, 主、付井进风, 回风井回风, 经山东公信安全科技有限公司实际测定矿井总进风量为2648.5m3/min (增加668.5m3/min) , 总回风量为2736.6m3/min (增加666.6m3/min) , 全系统计算阻力值为1139Pa, 全系统测定阻力值为1182.2Pa (降低负压517.8Pa) , 等积孔为1.61m2 (增加0706m2) , 矿井通风难易程度为中等。

汽车电源系统优化设计研究 篇3

关键词:电源控制技术;蓄电池传感器;电源效率

汽车电源设计面临着体积大、价格昂贵、低压大电流输出,特别是多路输出时效率较低等诸多挑战。如果完全采用电源模块,会使产品成本增加、系统供电压力增大,更重要的是,所占线路板面积较大,从而造成系统PCB布局困难。因此,设计时需合理的将电源模块与转换芯片相结合,对电源进行优化设计。

1 采用36/42V电源系统的必要性

现代汽车更注重车载电子系统的功能化、舒适化及智能化,除应具备富有现代感与个性化的外表外,其先进的电子设备逐渐成为人们日益关注的热点,如车载雷达导航与卫星定位系统、移动天线系统、可视电话系统、智能电脑系统、网络控制系统、车载防盗系统、电子燃油喷射系统、高级立体声音响系统、自动空调系统、安全气囊、照明系统等各种电子设备。而上述所有系统无一例外都要消耗电能。传统的12V汽车电源系统已难以满足。但欧洲安全法规提出,如果电压大于60V时,由于导线和接插器的绝缘材料需大量增加,因其质量增加不足弥补其他零部件(如导线等)质量的减少,而42V电压较适宜。

采用36/42V电源系统的目标是既节省能量,同时实现各种新型的电控功能,以及:

(1)为车辆的结构改进提供了更大的可能性。使用36/42V电源系统,发动机的一些附件,如转向助力泵、水泵、冷却风扇、空调压缩机和气泵等可直接由新的电源系统驱动,从而减少空转消耗,提高能源利用效率。此外,上述部件还可从发动机中分离出来,减少发动机的部件数量,改进设计,提高发动机的效率。对于电动制动系统,由电源直接驱动,可省去液压或气压系统。

(2)为发展混合动力汽车创造了条件。采用36/42V电源系统,可实现低速时由电源直接驱动电动机作为汽车的动力源,完全避免怠速工况,适用于城市公交车辆上。

(3)为其他需要大电流的设备供电,如为尾气后处理装置的加热器、柴油机微粒捕积器加热器,以及车辆其他舒适性设备进行供电等。

采用上述技术措施可在不增加成本的基础上,使汽车的能源利用率提高10%以上。

2 36/42V电源系统对汽车及其部件的影响

新型36/42V汽车电源系统标准的实施,将使汽车电器零部件设计和结构发生重大变革。某些部件将进行优化设计,某些部件将被淘汰,还将开发和生产一些新技术产品。

(1)整车:21世纪汽车将采用网络技术、导航系统、车载计算机技术以及电动转向、电子制动、电子伺服制动和转向、电动水泵和燃油泵、电动座椅、电加热座椅、电加热三效催化转化器等新技术,并向智能化驾驶方向发展。

(2)发动机:即将采用的无凸轮轴电控气门配气相位电磁阀系统将取消凸轮轴、气门挺杆、气门摇臂、液压挺柱、正时齿轮等部件,大大简化发动机的结构。集成起动-发电机系统是42V汽车电源系统中的主要部件,其最大功率可由目前1.5kW提高到8kW,发电效率在整个工作转速范围内高达80%以上。

(3)电动机和电磁阀:采用36/42V电源系统后,可使电动机和电磁阀质量降低20%左右。电磁阀的体积和质量随着电压的增加而成比例的减少,电动机的减少幅度相对小一些。较小的电动机可使车门减薄、座椅下空间增大、乘坐宽敞。

(4)照明系统:若采用42V电压,目前的前照灯不能使用,必须采用高强度放电灯;后灯也将采用氖气灯,因此车内、外灯将要重新设计且价格昂贵。

(5)电路开关和连接器:电压提高3倍,导线的直径可减少到原来的1/3,线束在质量和体积上减少25%左右。采用36/42V电源系统后,将淘汰机械式继电器,采用多路传输控制系统,其具有诊断能力和电路保护功能。

3 36/42V电源系统的影响应引起重视

36/42V标准电源是汽车电源系统的发展方向,新系统的采用会对汽车、零部件以及相关行业带来多方面的影响,例如:

该系统将改变原来的配套体系、装配方式以及试验设备,整车厂和电子配件厂都面临设计和生产的改变,特别是对于电器配件厂家,研制新产品迫在眉睫。发动机厂同样面对设计、生产及测试设备的改进。

该系统使能源利用率得以提高,因此会得到政府管理部门的认可,从而出台相应的管理法规和标准。为保证标准的实施,需要相关测试设备的改进和研制。

对于配件供应市场和汽车维修企业,也将大大增加工作的复杂性,因为将在相当长的时间内出现两种电源并存的情况。以前的一些维修方式将会因此而受到影响,比如电压的提高将带来一些仪表量程的变化,老式操作方法需要改变。电压的提高更易引起火花,也应特别注意。

以上这些应引起汽车行业及有关部门的足够重视,并做好积极的准备并采取相应的对策。

参考文献

[1]杨叙,韩峻峰,石玉秋,等.汽车微控制器系统的智能电源设计[J].机床与液压,2007.

[2]董素荣,杨生辉.汽车电源系统的过电压保护[J].汽车运用,2002.

系统优化设计 篇4

关键词：生产系统；矿井开采；生产系统；优化设计

郑州煤炭工业（集团）有限责任公司超化煤矿到2016年，采掘活动全部延深至深部水平，巷道支护投入加大，瓦斯治理、防治水工程量增加，所需投入人力和资金将超过郑州煤炭工业（集团）有限责任公司规定，受煤炭市场影响，矿井生产经营状况将出现下滑。矿井开采后期煤炭资源如何合理开采已成为矿井面临的主要问题，因此，超化煤矿需要调整矿井后期生产系统，使剩余煤炭资源安全、合理开采出来。

1矿井概况

超化井田位于河南省新密市煤田西南部，开采上限标高+60m，下限标高-900m。该区主要可采煤层为二叠系山西组二1煤，煤层平均厚度9.07m，属低灰、低硫贫廋煤。二1煤可采储量为1430.8万t，服务年限10a。矿井水文地质条件复杂，正常涌水量869m3/h，最大涌水量为1112m3/h。矿井为煤与瓦斯突出矿井，始突表高-208m，矿井瓦斯绝对涌出量18.60m3/min，相对瓦斯涌出量4.63m3/t。二1煤煤尘爆炸指数17.58%，为有煤尘爆炸危险性煤，自然发火等级为Ⅲ类，属不易自燃煤层。

2矿井现有生产系统

超化煤矿现有生产系统为：主立井担负提煤任务；副立井担负进风、人员物料升降等任务；西风井担负进风任务；东风井、31风井担负回风任务；-100m和-300m水平排水阵地均为一级排水系统，均能够满足矿井排水要求；供电系统利用地面35kV变电站和井底车场附近中央变电所向各使用地点供电；原煤在主副立井工业广场内进行筛分、储存和铁路运输。矿井利用现有系统进行开采，无需增加投资。到2015年底，其他区域基本采完只能开采深部31采区，矿井生产规模维持在150万t/a左右。

3现有系统存在问题

①深部二1煤内在灰分高，发热量低，不符合国家供给侧结构改革相关政策；②矿井为突出矿井，人员较多，生产成本居高不下，导致矿井2015-2021年矿井回收煤柱前，矿井生产经营较困难；③深部区域瓦斯含量大，水文地质条件复杂，如果仅开采深部资源，将导致瓦斯抽采、巷道掘进、煤炭回采等作业场所过度集中于一个采区，不利于安全管理。

4矿井生产系统优化设计的提出

根据矿井资源储量分布情况，超化井田的优势资源（约860万t）主要集中在主副立井保护煤柱内，煤层厚度3.25～15.10m，平均厚度8m。根据井下实际采样，该区域内煤层灰分较低，煤质相对较好。如果对矿井生产系统进行优化，使浅部优势资源与深部资源同时回采，将能够大幅度提高矿井原煤发热量，使两个区域的瓦斯抽采、巷道掘进、煤炭回采等作业活动交替进行。即矿井在深部区域和浅部区域分别布置一个工作面，其中一个正常回采，一个进行瓦斯抽采，避免出现入井人员全部集中于一个区域的现象，提高矿井安全保障程度［1］。本次生产系统优化要重点考虑以下问题：①优化设计要与矿井现状不矛盾，不影响矿井正常生产经营活动；②目前煤炭市场下，要最大程度压缩投资，认真进行投资分析，确保经济效益最优；③系统优化前后的生产衔接要顺畅；④地面生产系统位置变化后，环保、煤炭外运等问题要妥善解决。综上所述，超化煤矿生产系统优化设计将现有主、副立井报废，改造现有西风井（两条斜井井筒）为主副、斜井，担负矿井的提升任务及兼作进风井；井下调整矿井运输、通风、提升、供电等系统；原主、副立井工业场地建筑及设施随着开采进度，逐次搬迁至主、副斜井新工业场地。

4.1井下生产系统优化

改造后的主斜井斜长879m，铺设带宽1200mm的胶带输送机，并安装架空乘人装置，主要担负矿井的提煤、上下人员及进风任务；副斜井斜长890m，安装2JK-3.0×1.5/20型单绳缠绕式双滚筒提升机，主要担负矿井的提矸、运料、运设备等辅助提升任务并兼作进风井及安全出口。在-205m以浅新增集中轨道下山和集中皮带下山，担负22采区和深部31采区的运输、进风、运送人员等任务。排水系统利用-300m水平排水系统，泵房配备8台MD500-57×11型多级离心泵，4用3备1检修，水仓容积9060m3，能够满足《煤矿安全规程》要求。通风系统仍利用现有的东风井和31风井。供电系统利用在主副斜井工业广场新建的35kV变电站和井下中央变电所向各作业场所供电。

4.2地面生产系统优化

在主、副斜井工业广场，合理利用现有建筑物作为调度楼、行政楼、生产楼、区队值班楼、救护队值班楼和灯房浴室等行政辅助设施以及机修车间、供应仓库、物资超市等辅助生产厂房；新建主副斜井井口房、提升机房、35kV变电站、空压机房、筛分系统及储煤场，原煤仍采用铁路外运。

4.3矿井生产系统优化工期及投资

矿井生产系统优化矿建工程为扩砌主副斜井，掘进22采区皮带下山和轨道下山；土建工程为在主副斜井工业广场新建筛选楼、皮带走廊、储煤场及防风抑尘网等项目，生产系统优化调整工期2a，期间不影响矿井其他区域正常生产，项目总投资20126.48万元。根据国家煤炭产业政策将矿井生产能力由180万t/a下降到150万t/a，服务年限10a。

5矿井生产系统优化方案比较

5.1原生产系统的优缺点

5.1.1优点。①维持目前开拓开采，不再对矿井做生产系统优化，减少了基建投资；②维持目前开采方式，各生产系统不用变化。5.1.2缺点。①深部二1煤内在灰分高，发热量低，导致二1煤售价低；②矿井为突出矿井，人员较多，生产成本居高不下，导致矿井2015-2021年矿井回收煤柱前，矿井生产经营困难，年均亏损2.1亿元；③井下各类抽、掘、采等作业场所集中于一个采区，人员过度集中。

5.2优化后生产系统的优缺点

5.2.1优点。①提前浅部优势资源，使之与深部煤配采，降低煤的灰分，提高煤的发热量，煤的售价增高，效益好转；②生产系统优化后，矿井生产能力稳定，投资回收期5.33a，年均税后利润3277.09万元；③将抽、掘、采作业场所和下井人员在两区域间合理调配，利于安全管理。5.2.2缺点。①矿井生产系统优化要增加基建投资；②主副斜井工业场地现有占地面积小，地面各场所紧凑；③工业场地变化后要严格落实环境保护相关规定。综合考虑，原有生产系统维持开采方式不变，但矿井经营困难，且不符合国家供给侧结构改造政策要求，因此确定对矿井开采后期生产系统进行优化。

6矿井生产系统优化后盈亏分析

按照计算期第5年数据分析计算，盈亏平衡点为：生产能力利用率（BEP）=年固定总成本/（年销售收入-年可变成本-销售税金及附加）×100%=15570/（42300-16902-1091）×100%=64.05%。该项目达到生产能力的64.05%，即矿井生产能力达到117.65万t/a，企业就可保本，这说明超化煤矿生产系统优化项目风险较小。

7结语

技术人员对突出矿井开采后期的生产系统进行了合理优化，达到了改善矿井生产经营状况的目的，开采出了优质煤炭，符合国家目前煤炭产业政策。优化矿井后期生产系统时，要协调考虑设计方案对正常生产的影响、对矿区环境的影响，并对项目的经济效益分析要全面、可靠。

参考文献：

系统优化设计 篇5

基于设计结构矩阵的过程系统优化方法

明确了过程系统优化对现代企业管理以及设计结构矩阵对过程系统优化的重要性;对设计结构矩阵的`定义、特性和基于设计结构矩阵的过程系统建模步骤进行了详细介绍.研究结果表明DSM是一种有效的建模方法,能够为企业过程系统的结构改善、过程优化等提供有力支持.

作 者：王爱虎 杨曼丽 WANG Ai-hu YANG Man-li 作者单位：华南理工大学,工商管理学院/新型工业化发展研究所,广州,510640刊 名：工业工程 ISTIC PKU英文刊名：INDUSTRIAL ENGINEERING JOURNAL年，卷(期)：8(6)分类号：N945.15关键词：设计结构矩阵 过程系统 系统建模 过程优化

系统优化设计 篇6

1引言

中山市属于南方城市，江河众多，降水丰沛，内涝频发，公众叫苦连天。有数据显示，自1956年来中山市发生过50余次气象涝灾。发生内涝既有客观上的气象和地理因素影响，也与当前城市“重地上轻地下、重建设轻管理”的建设模式有关联。改变传统的以“排”为主的治理模式，转变为“渗、滞、蓄、用、排”的方向，借鉴学习国内外成功经验，因地制宜地推广现代雨水利用与管理技术，推行雨污分流改造工程势在必行。

2中山市频繁发生内涝的人为因素

2.1多条内河涌被覆盖增加内涝

在城市建设大举扩张中，填满覆盖河涌、破坏河道水系等行为，致使排涝系统对降雨的调蓄能力下降。同时大量新建的柏油路、水泥路面等硬质铺装，由于渗透性差，令雨水不能快速渗透，加剧城市内涝。

2.2城市排水系统标准偏低，建设存在短期性和临时性

我国以前的城市建设在城市排水系统设计上多是按1年一遇的标准来规划设计，尤其是城市排水系统的规划与道路、水系、绿地、城市竖向等系统专业规划的衔接不够，导致传统排水规划的综合性、前瞻性不强。

2.3重建设轻管理导致排水设施排污排洪能力下降

在过去30多年的城市建设中，对排水防涝设施的改造与维护欠账多，系统不完善，管养不到位。一些排水设施建成时间较长，老旧、地面沉降、管理不善等导致一些管渠出现开裂、错位、淤塞等问题，一旦出现强降水，雨水排泄不畅，就容易出现积水，加上擅自变更规划、改变原排水系统所担负的服务范围等因素，导致排水系统不堪负荷。

3城市排水系统改造建议

3.1推广雨污分流排水工程

雨污分流作为一种排水体制，是指将污水和雨水分开，各用一条管道输送，进行后续处理或排放的排污方式。以前受经济水平限制，没有根据水的来源在城市基础设施建设方面对排水管道进行分设，采用雨水和污水合用一条排水管道的排水系统。随着经济发展和环境意识增强，尤其是水资源日益珍贵，为了更好地利用各种水资源，实施雨污分流显得十分必要。

雨污分流后，污染轻的.雨水直接排人城市内河再经过自然沉淀，既能供给喷洒道路的城市市政用水，也可以作为天然的景观用水，然后这些雨水经过缓冲净化流人河流，还能提高地表水的使用效益;而排人污水管网后的污水经过污水处理厂处理又实现了回用和再生，既让城市水环境明显改善，而且降低了污水处理成本。

3.2提高城市排水设计标准

国家最近提出了海绵城市建设的理念，对于深受内涝之苦的中山市来说是机遇。有专家建议，可以借鉴国内外成功经验，开展防排涝综合规划，加大排水系统改造力度，落实“海绵”型城市建设方针。在排水设计方面，要遵循地理、水文和气象等自然规律，储存和利用雨水资源，变单纯排水为疏导涝水。例如在对易涝区道路交叉口、桥涵引桥等的排水改造中，建议按3-5年一遇的标准改造;对隧道、地下停车场和下沉广场等，建议按照不低于30年一遇的防涝标准进行设防布置，避免因暴雨积水引发隧道吃人等较严重后果;在新建、扩建、改建的项目中应增加雨水利用工程，加大对城市雨水径流的源头控制，发挥城市绿地、道路、水系等对雨水吸纳、蓄渗和调节的作用，从而缓解城市内涝。

3.2.1屋顶绿化雨水利用系统

屋顶绿化系统可提高雨水水质并使屋面径流系数减小到0.3，有效地削减雨水径流量。作为改善城市环境的新生态技术，也可作为雨水集蓄利用和渗透的预处理措施，该技术在德国和欧洲城市已广泛应用。屋顶绿化技术关键的科学选择植物和种植土壤，确保不发生渗漏。上层土壤应选择孔隙率高、密度小、耐冲刷、且适宜植物生长的天然或人工材料。

3.2.2屋面雨水集蓄利用系统

屋面雨水集蓄利用系统分为建筑群集中式系统和单体建筑物分散式系统，是利用屋顶做集雨面，在公共、工业和家庭等方面用于冲厕、冷却循环、浇灌、洗衣等中水系统所需的非饮用水。该系统由雨水的汇集区、截污装置、输水管系、储存、净化和配水等部分组成;根据需要，可能还会设计贮水池溢流管与渗透设施相连接，使部分雨水在超过储存容量时发生溢流渗透。屋面雨水集蓄利用系统不但可以让饮用水节约，还会使城市排水和处理系统的负荷减轻，使污染物排放量减少，让生态环境得到改善。

3.2.3园区雨水集蓄利用系统

在公园、新建居民小区以及环境条件较好的类似城市园区，工程技术人员通过设计，将区内路面、绿地、屋面的径流雨水收集起来加以利用，达到减少水涝、优化小区水系统、削减城市非点源污染物排放量和暴雨径流量，进而改善环境的效果。因为这种系统涉及面宽，比较巨大，需要处理好绿地与道路高程、室内外雨水收集排放系统、初期雨水截污、净化等相关环节间的关系。

4结束语

螺杆分装系统的设计与优化 篇7

在制药、食品、日化等行业中, 80%的产品都是以粉体形式存在的。对于粉体的计量 (即分装) 目前主要有2种方式:称重式计量和容积式计量。其中, 容积式计量由于其具有快速高效的性能而在批量生产中被广泛使用, 而螺杆式分装是容积式计量的主要形式。

螺杆式分装机的主要优点是分装速度快、分装精度高、无粉尘飞扬、结构紧凑、调节简便、维护方便、运行成本低。然而, 螺杆分装系统的设计需要非常专业的技术。对螺杆分装系统而言, 可通过改变螺杆的参数来扩大计量范围, 通过调整螺杆转数来控制计量精度。螺杆分装系统的设计优化对计量精度要求较高的制药行业 (如粉针剂、颗粒剂、干混悬剂等) 有着尤其重要的意义。

随着产品市场的不断发展, 产品剂型也在不断变化, 大剂量、小剂量、微剂量品种增加, 加上原粉本身性质、质量存在差异, 这些都对粉体分装机的功能和精度提出了更高的要求。随着伺服电机与PLC/HMI控制技术的应用, 螺杆式粉体分装在稳定性、计量精度及微量调节方面显示出了独有的优势。

1 最佳分装密度理论

众所周知, 容积式粉体计量设备的基本特征是用容积来间接计算重量, 即重量=容积×密度。可见, 要想获得精确的装量, 应从容积和密度2个方面考虑。理论上, 物料的密度是一定的, 只要保证容积精确, 即可达到装量要求。螺杆分装利用螺旋内槽的容积来计量物料, 由于每个螺距都有一定的理论容积, 因此, 只要精确地控制螺杆的转数, 就能获得较为精确的计量值。

每次充填物料的重量G可由式 (1) 求出:

式中V———每圈螺旋内槽的容积, cm3;

ρ———粉体的密度, g/cm3;

n———充填1次螺杆的转数, r。

可见, 若想取得精确的装量, 应从容积、密度和螺杆的精确转数3个方面着手。随着伺服电机及PLC控制技术的应用, 控制螺杆驱动电机转速的精度已达到万分之一每转, 精确地控制螺杆转速已不成问题。螺杆作为计量执行机构的核心部件, 螺杆的加工精度和安装精度必须得到充分保证。可通过先进的数控加工、精细抛光和定性处理技术, 以确保螺杆的表面质量和内在质量。

另外要解决的就是粉体物料的密度问题。粉体的特征表现为宏观上的连续性和微观上的离散性。粉体物料是成分复杂的独特材料, 既有固相 (颗粒) , 又有液相 (存在于颗粒表面或者结构内部的水分) , 还有气相 (颗粒之间的空气) , 拥有各种不同的性质, 无法用单一参数来描述。因此, 很难将粉体的各种性质 (如气体、液体) 用数学模式来描述或定义。通常粉体物料的密度值只是理论上的统计算术平均值, 在实际生产加工过程中, 粉体的行为特征是复杂多变的。具体到粉体在分装系统内的运动中, 其密度是动态变化的。国内外研究表明, 在影响螺杆式计量系统精度的因素中, 50%以上与物料密度有关。可见, 物料密度是影响分装精度的关键。

可以说分装精度的关键在密度、核心在螺杆。要想达到高速、精确计量的目的, 加大粉体密度使其局部密度更趋均一是必要的前提条件, 特别是对于比重轻、粒子形状不规则且呈悬浮状的粉体, 加大密度是使料管出口处各个部位局部密度更趋均一的前提条件。然而, 实践证明当粉体密度加大到某一个值时, 粉体就会与螺杆或料管因粘结而导致堵塞, 使分装不能顺利进行。既能确保粉体不与螺杆或料管粘结, 又能使螺杆停转时不漏粉的最大密度值就是该粉体的最佳分装密度。最佳分装密度是粉体处于分装过程中的动态密度, 与平时所说的密度概念不同。这里应该指出的是, 以往在堆密度下进行分装, 其充填系数≤1, 而在最佳分装密度下进行分装, 其充填系数≥1。

2 结构功能与操作优化

如何达到和保持被分装粉体的最佳分装密度是分装的关键与核心。为了方便阐述和容易理解, 可以首先从最佳分装密度的形成过程谈起。在被分装的粉体由料管喉部流动到料管尾部的过程中, 使螺杆的螺旋与料管所构成的容积逐渐变小 (且呈阿基米德螺旋线式) , 使粉体的密度在运动中逐渐加大, 同时粉体的局部密度也在运动中更趋均一, 当运动到料管尾部时, 刚好达到该粉体的最佳分装密度。因此, 要想达到物料的最佳分装密度, 可从以下2个方面考虑。

2.1 分装系统的结构与功能设计

一个螺杆分装系统主要由料斗、螺杆、螺杆连接轴、料管、出料嘴等组成。螺杆是其核心部件, 其他为辅助件。每个部件的结构及尺寸都会对物料分装过程的运动产生影响, 因此是一个复杂的多变量系统。对这些部件进行合理的设计与优化, 使之具有相应的结构元素与功能特性, 这才是实现最佳分装密度的硬件基础。

2.1.1 分装螺杆的选择

2.1.1. 1 目的

以往使用的分装螺杆通常是圆柱等距螺杆, 粉体是在堆密度情况下进行分装, 所以分装速度慢、装量精度低, 遇到流动性特好、流动性特差或微小装量的产品时, 往往难以顺利分装。为保证某种粉体分装时, 能在料管的出口处达到最佳分装密度的解决方法是通过对螺杆的外径、底径、螺距、齿形、螺旋头数等结构要素进行合理组合, 使螺杆与料管之间所形成的容积从料管喉部到料管尾部逐渐变小, 这样粉体粒子在料斗—料管—出料口的运动过程中反复地揉搓、撞击、变换容积等。在粉体密度逐步加大的同时, 其各局部密度更趋均一, 到料管出口时, 正好达到被分装粉体的最佳分装密度, 以此来初步确定螺杆的整体结构。

2.1.1. 2 方法

因为粉体的物理性状参数 (流动性、止息角、堆密度、压缩比、吸湿性、粘结性、粒子的形状与大小等) 千差万别, 国产的分装设备与各个用户的操作习惯均不同, 可以通过对上述因素进行分析、归纳、总结、概括, 让复杂的问题简单化, 让无序的问题有序化、条理化。

总的来说, 在分装螺杆选择上, 根据粉体的流动性, 大体上可分为通用性选择和特殊性选择2种。

通用性选择:该种选择主要用于流动性一般的粉体。首先, 根据装量要求和用户现有生产条件来选择螺杆的规格及其系列。然后, 根据粉体的其他物理性状参数 (如吸湿性、粘结性、粒子的形状与大小等) 选择含有相应功能特性的结构元素。上述的功能特性主要指加大粉体密度、提高粉体局部密度的均一性、防漏粉、防粘结、防缠绕、防破损等。

特殊性选择:该种选择主要用于流动性特好的粉体、流动性特差的粉体、易破损的丸状体和易缠绕的絮状体等。其选择的程序与通用性选择相同, 根据装量要求选择规格, 根据粉体的其他物理性状参数选择含有相应功能特性的结构元素。

通过以上这2种选择, 基本可以确定分装某种粉体所需螺杆的规格与相应功能特性的结构元素。接下来可以对上述相应功能特性的结构元素进行合理组合, 在组合中应遵循的基本原则是最佳分装密度理论和整个分装系统的匹配与优化。

在最终确定螺杆的整体结构之前, 还必须验证整个分装系统是否匹配, 并进一步优化设计。在这一步工作中, 应充分结合用户的现有生产条件, 尽量做到少花钱、多办事, 快速解决问题, 为长足发展做技术储备。应考虑的问题有以下几点:

(1) 螺杆的有效长度:一般为3~5 t (t为螺距) 。流动性好的粉体取大值, 流动性差的粉体取小值, 流动性一般的粉体取中值。

(2) 螺杆最佳螺旋角度的选择:一般为16°~25°, 流动性好的粉体取大值, 流动性差的粉体取小值, 流动性一般的粉体取中值。

(3) 螺杆齿厚与齿形的选择:在保证使用强度与寿命的情况下, 减小齿厚, 可降低粉体与螺楞或料管内壁之间的摩擦。不同的齿形将对粉体产生不同的导流作用, 上凹形齿可以防止漏粉;下凹形齿可以防止粉体离散;弧形齿可以防止粉体粘结等。

(4) 螺杆的长径比:长径比过大, 造成加工成本高、螺杆弯曲变形, 无法确保设计精度。从使用功能来看, 如果螺杆的有效长度过长, 粉体在分装过程中不但容易粘结, 而且粉体在螺旋槽内时间过长容易受热, 使其化学成分发生变化。

2.1.2 推料器与收集器

推料器与收集器这2种辅助件是刚柔可调的通用性附件。对于生产企业来说, 应该是必备附件。只要有了这2种配套附件, 对于流动性特好或特差粉体的分装, 则可解决全部问题。

2.1.2. 1 流动性特好的粉体

鉴于国内制药行业各原料药生产厂家和同一原料药生产厂家不同批次的同一种原料药的物理性状参数相差较大, 为了统一解决其分装过程中的漏粉问题, 可在螺杆的尾部加装一个挡料盘, 在料斗的下部加装一个收集器 (图1) 。其工作原理是利用粉体的止息角, 当螺杆旋转时, 落在挡料盘上的粉体由于离心作用被抛入收集器, 再向下流入被分装的瓶 (袋) 内。当螺杆停转时, 则阻止粉体流出挡料盘的边缘。根据装量的大小, 可更换挡料盘的大小, 或调整料管底部与挡料盘之间的距离。

2.1.2. 2 流动性特差的粉体

流动性特差的粉体在分装过程中的主要问题是粘结、空洞现象和装量不稳等。为彻底解决此类问题, 除可将螺杆芯部制成六棱形外 (防粘结) , 其在螺杆的柄部加一推料器 (图2) 是非常必要的。该种推料器既可防止产生空洞现象, 又可使料管喉部粉体的密度加大并趋于均一, 以确保分装速度和装量精度的提高。该种推料器张角大小和上下位置可任意调整, 以适应不同物理性状参数粉体的分装要求。

分装系统的其他结构设计方面, 如料斗及料管设计、出料口选择、搅拌形式与尺寸等, 都是必须考虑的因素, 因为只有合理正确的组合, 才能发挥最大效用。

2.2 分装系统操作的优化

为达到最佳分装密度, 分装系统的操作也是至关重要的一个方面。这是实践性非常强的问题, 如料斗的通风、料斗料位的高低、环境温湿度的影响、螺杆转速的设定、搅拌速度等都是决定分装精度的重要因素。这些因素的影响和优化, 笔者将另文专述, 本文不再讨论。

3 设计精度、制造精度、安装精度

我国的制药设备制造行业正从粗放低端向精细高端转型升级, 提高科技含量, 坚持创新驱动发展战略是未来市场发展的趋势。以往对螺杆分装系统选择的目的性很简单, 就是能否分装粉体。而在市场细分和品种多样化的今天, 这种简单的选择显然有些落后于时代了。这是一个从“粗”到“精”的升级, 具体到分装设备上, 就是精度要求。

3.1 设计精度

这里的设计精度主要指分装设备的设计精度和螺杆的设计精度。就目前而言, 螺杆外径与料管内径双边间隙的选择一般为0.4~1.0 mm。流动性好的粉体取小值, 流动性差的粉体取大值。然而, 有的分装设备的设计精度竟然设计为1.5 mm, 这对于流动性特好和微小装量的产品而言, 显然不能满足分装要求。

螺杆的设计精度同样也是保证顺利分装的前提条件, 如螺杆柄部与螺旋部分的同轴度、螺杆柄部与连接轴的同轴度 (也就是螺杆螺旋部分与料管内表面的同轴度) 、螺旋表面的粗糙度等。

3.2 制造精度

螺杆的加工属于三维曲面加工, 为确保设计精度, 对螺杆的加工工艺和设备均有特殊要求。整体加工的螺杆由于不焊接、无变形, 精度要优于螺片焊接的螺杆。料斗内壁及螺杆螺旋等部位需进行精细镜面抛光, 尽可能降低表面粗糙度, 以减少物料与系统之间的摩擦与粘结。

3.3 安装精度

对于流动性特好、微小装量的产品, 由于其分装系统特别敏感, 其设备精度、螺杆制造精度和安装精度显得尤为重要。现实中往往由于设备制造精度欠佳或年久失修, 即使安装上制造精良的螺杆, 也不能达到顺畅分装的效果, 其装量呈有规律性的上下波动现象。究其原因是由于螺杆与料管轴不同心, 螺杆转数往往又不是整数, 每次螺杆停转的相位角不同, 螺杆与出料嘴所形成出口的截面积不同, 所以其装量呈有规律性的上下波动现象。对此, 只有对分装头进行改造或大修, 才可解决问题。

4 综合评价指标

综上所述, 对螺杆分装系统的设计和选择有一个基本的思路, 可以对整个系统设计和选择有一个综合评价指标。笔者认为, 一个良好的螺杆分装系统应达到以下4个基本要求: (1) 分装速度快; (2) 装量精度高; (3) 装量范围广; (4) 对粉体的适应性强, 而且要统筹兼顾。

对于分装速度快和装量精度高容易理解, 下面简单介绍一下装量范围广和对粉体的适应性强的含义。所谓装量范围广和对粉体的适应性强, 是指某一种规格的螺杆由于其结构是由含有相应功能特性的结构元素组成, 所以可以使某一种规格的螺杆乃至整机兼备以上4个基本要求。六棱芯螺杆、尾部双头螺杆、空心螺杆是经多家生产实践验证的异形螺杆。

六棱芯螺杆 (图3) :粉体在螺杆内运动时, 螺杆与料管之间所形成的截面积始终处于变化状态, 六棱结构能在转动时对粉体进行撞击、粉碎、振荡、容积变换等, 促进粉体流动, 有效地防止粉体形成团粒与粘结。

尾部双头螺杆 (图4) :其作用为可成倍地扩大装量范围, 提高装量精度, 同时防止漏粉。

空心螺杆 (图5) :主要用于易破损的丸状体和易缠绕的絮状体, 如食品行业的榨菜条、海带丝、面包屑、调味料等。

5 应用实例

举例分装1.0 g头孢呋辛钠粉针剂, 企业通过改造分装系统, 优化分装操作, 其成品收率可达到99%, 而有的企业仅是93%。如果一个企业有多种装量的产品, 又该如何选择呢?这就要选择装量范围广、对粉体的适应性强且极具兼容性的螺杆。它可以简化企业生产管理、减少备件库存, 轻松应对新产品的分装。

如某企业原有5条生产线, 共有5种型号分装机14台 (3个厂家) , 产品90种, 装量为0.25~3.2 g, 使用的螺杆共有29种。根据该企业的实际情况, 本着投资少、见效快的原则, 制定了如下的综合性改造思路:

(1) 对头孢3、4、5楼的分装头进行通用化改造。

(2) 根据最佳分装密度理论, 选用适合该企业产品分装要求的、功能结构合理的组合螺杆, 该螺杆要装量范围广、对粉体的适应性强。

(3) 根据某些产品的特殊要求, 选择一些必要的辅助装置, 如推料器、收集器等, 让每个分装系统形成一个刚柔可调的分装系统, 对不同原料药生产厂家或同一原料药生产厂家不同批次的同类原料药, 均能调整到最佳分装状态。

在改造设计中, 对该企业全部产品的原料标本进行了物理性状参数 (流动性、止息角、吸湿性、粘结性等) 测试, 根据测试结果, 决定螺杆的功能结构;根据装量要求, 决定螺杆的结构尺寸;根据物理性状参数和装量范围均相近的产品, 决定螺杆的规格。让每一种规格的螺杆具有最大的兼容性。某企业采纳了以上改造思路, 改造后共用8种螺杆, 便基本满足了生产需要, 取得了满意的效果。

6 结语

分装系统的选择和设计对粉体分装企业和设备制造企业来说都是一个非常重要的问题。在螺杆分装系统的选择上, 其核心是根据粉体的物理性状参数, 使粉体的粒子在从料管喉部到料管尾部的运动过程中一直处于受控状态, 也就是粉体粒子的分布、密度的变化等按设定的路径步步推进。

螺杆分装系统的设计和优化是一个较为复杂的多变量系统, 需要较强的专业知识和实践积累。石家庄振玉分装工艺研究所首先提出了最佳分装密度理论, 并在生产实践中逐步得到了验证、充实与提高, 为诸多企业解决了困扰多年的生产和设备出口难题。

石油储运监测管理系统的优化设计 篇8

摘要:本文介绍了石油储运监测管理系统的设计方案、系统组成、硬件设计与软件设计,同时采用3级故障显示报警系统提高系统的可靠性。

关键词:油料储运 可靠性 软件设计

中图分类号:TE8文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0045-01

油库中油料储存罐和输油管道所使用的各种控制阀门是油料储运过程中必不可少的现场仪表,其智能化程度的高低、所含信息的多少和对故障的诊断与容错能力直接影响到数据采集与监控系统的可靠性、稳定性和易用性。通常库区中的控制阀数量众多且分散,普通的控制阀所含信息量少而布线繁多,这在一定程度上使库区监测管理系统的设计复杂化。该系统智能阀控制设备与PLC的结合使得罐区储运监控系统布线简洁、控制方便,PLC的冗余以及Pakscan IIE主站控制器的双备保证了系统的高可靠性,也提高了控制系统的自动化程度。

1系统需求分析

①对整个罐区的温度、压力、流量、液位、可燃气体浓度、状态等参数进行检测;

②油库的数据采集、数据处理及存储归档、控制;

③对阀门的开/闭、泵的启/停进行监控;

④打印各种生产报表、输油泵故障诊断及分析、仪表故障诊断及分析等功能;

⑤彩色显示有关画面、参数及声光信号报警;

⑥与工厂信息网连网,传递有关信息。

2 系统的硬件实现

2.1 系统的设计

控制中心是本系统的调度指挥中心,操作人员在控制中心通过计算机系统即可完成对全库区的操作和运行管理等任务。其主要功能:库区管理;数据采集和处理;与第三方的监控系统或智能设备通讯;逻辑控制、连锁保护、流量计算。主站控制器是由主CPU卡、环路通讯卡、电源、液晶显示器和16按钮键盘组成的盘装智能仪表。它内部有两个固定的数据库,一个是现场单元数据库,负责接收并记录从两线环路传来的智能阀的地址、转矩、开度等数据,根据从上位机传来的读写命令控制阀门的运动,该数据库从逻辑上划分为4个区,每个区记录60个阀门的数据;另一个数据库为主站控制器状态及自诊断数据库,负责记录通讯协议的有关状态并向智能阀发布命令。通过主站控制器的按键和液晶显示器,可以实现读取智能阀的开度、转矩、地址等数据,控制阀门的开闭,接收报警信号及与PLC通讯等功能。

2.2 系统结构

该系统采用的是Modbus通讯协议,一台PLC可以连接多台Pakscan IIE主站控制器,因此,若现场智能阀较多,系统可以很方便地扩展而且连线简单。正常运行情况下,主PLC和主控制器工作,从PLC和备控制器分别与主PLC和主控制器保持同步。智能阀将数据传送给主控制器,主PLC通过RS-485接口从主控制器中读取数据,并向其发布命令,主控制器再执行命令,驱动智能阀按命令运转。当主PLC或主控制器出现故障时,系统能分别自动切换到从PLC或备控制器。

3 软件设计

软件实现组态化,可选用国际流行的、最为工业控制界青睐的工控组态软件,具有很高的可靠性和灵活性。

3.1 通讯程序设计

主通讯模块的程序设计有3部分内容:初始化通讯模块;读写Modbus/RTU数据;监测通讯状态。

通讯模块的初始化工作主要是配置3个初始化控制块的参数:Slave控制块(SCB),信息控制块(MCB)和通讯要求参数块(COM_REQ)。所有这些初始化参数在PLC上电或冷启动初始化的第一个扫描周期内加载到RTU主通讯模块,此后RTU主通讯模块负责与主站控制器通讯,而PLC则与RTU主通讯模块交换数据。读写Modbus/RTU数据和监测通讯状态的编程相对简单,只要读写初始化时定义的相应的PLC参数地址即可。

3.2 软件设计

上位监控站可以准确的监测和控制储运过程的所有信息和设备。通过编程、组态、连接,形象地反映实际工艺流程、显示动态数据,设置PID控制参数以及过程参数,并可以查看历史趋势、报警历史报表等。现场电动阀配置在流程的输油管线上,通过按钮可以人工启动、停止和关闭任一个阀门,并显示任意时刻的阀门状态和阀位值。设计良好的人机界面使操作简便、直观。

3.3 故障报警系统设计

在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统,1级设置在控制现场各控制柜面板,用指示灯指示设备正常运行和故障情况,当设备正常运行时对应指示灯亮,当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。2级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上,当设备出现故障时,有文字显示故障类型,工艺流程图上对应的设备闪烁,历史事件表中将记录该故障。3级故障显示设置在中心控制室信号箱内,当设备出现故障时,信号箱将用声、光报警方式提示工作人员,及时处理故障。在处理故障时,又将故障进行分类,有些故障是要求系统停止运行的,但有些故障对系统工作影响不大,系统可带故障运行,故障可在运行中排除,这样就大大减少整个系统停止运行时间,提高系统可靠性运行水平。

4 系统操作原则

在正常情况下,由控制中心对整个储备库进行监视和控制。调度和操作人员在控制中心通过计算机系统完成对全库区的监视、操作和管理。通常情况下,各现场监控单元无须人工干预,全库区的控制系统在控制中心的统一指挥和管理下完成各自的工作。当数据通信系统发生故障或控制中心主计算机发生故障或系统检修时,可切换成现场人工就地控制。

5 结束语

系统规模由单个罐区的分别监控,发展到将各罐区和装车站联接成储运监控系统;计算机网络在系统中也被广泛应用,包括现场总线、储运系统及全厂的生产、调度、管理在内的多级网络为用户实现采集与控制分散,信息集中提供最有力的支持,进而可以实现控制管理一体化,有力地提高企业的管理水平,提高效益。

参考文献:

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