Создание системы автоматического ведения плавки в дуговой сталеплавильной печи как первый шаг развертывания интеллектуальных систем управления в сталеплавильном производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Создание системы автоматического ведения плавки в дуговой сталеплавильной печи как первый шаг развертывания интеллектуальных систем управления в сталеплавильном производстве



Интенсификация технологических процессов в электросталеплавильном производстве в условиях жестких требований к их технико-экономическим показателям требует привлечения высококвалифицированного и опытного технологического персонала, однако рынку труда становится все труднее справляться с этой задачей. Аккумуляция знаний и опыта, накопленных металлургической наукой, в системах управления является одним из средств её решения. Системы управления, построенные на этой основе называют интеллектуальными, или основанными на знаниях (Knowledge Based Systems).

Цель статьи - изложить принципы построения системы автоматического ведения плавки (САВП) на базе пакета ОРАКУЛ [1-4] в составе систем управления технологическими процессами электросталеплавильного цеха Молдавского металлургического завода. Работа по ее созданию основывается на следующих предпосылках:

1. Металлургическая наука располагает обширным опытом теоретического описания сталеплавильных процессов, преложено большое число математических моделей, в той или иной мере суммирующих этот опыт.

2. Имеется широкий выбор технических и программных средств, с помощью которых созданы эффективные системы базовой автоматизации в электросталеплавильном производстве.

3. В отечественной и зарубежной металлургии накоплен опыт разработки и успешного применения отдельных программно-технических модулей, которые могут служить элементами системы автоматического ведения плавки.

4. Авторам статьи пока неизвестны примеры реализации целостной системы такого рода в сталеварении.

В качестве исходных данных для работы САВП может быть использовано формализованное задание на плавку. В общем случае задание на плавку САВП включает:

· характеристика подлежащей выпуску марки стали;

· характеристика механизмов и устройств, применяемых в конкретном электрометаллургическом процессе;

· характеристика используемых материалов и энергоносителей;

· дополнительные условия и данные, необходимые для оптимизации конкретного технологического процесса.

Формализация марки стали в том или ином виде выполняется практически на каждом металлургическом предприятии. В качестве формализованной характеристики марки стали, например, используются технологические карты и их представление в технологической базе данных. Преобразование такой формы в необходимый для самой САВП производится дополнительно. Система ОРАКУЛ на ММЗ использует следующие данные из технологической карты:

· температура выпуска стали из печи в зависимости от способа ее дальнейшей обработки;

· допустимый состав стали на выпуске;

· плановая таблица металлозавалки.

Форма представления характеристик механизмов и устройств, применяемых в электрометаллургии, в общем случае содержит следующее:

· наименование и назначение устройства (исполнительного механизма);

· наименование (код) материала (энергии), вносимого данным устройством;

· предельные и эффективные интенсивности ввода соответствующего вещества (энергии) устройством (разовые порции отдачи, например, для устройств, поставляющих сыпучие материалы);

· характеристика периодов плавки, в которых допускается работа данного устройства, исходя из конструктивных особенностей устройства и печи, применяемой на конкретном предприятии технологии, требований техники безопасности и накопленного на предприятии опыта использования данного механизма (устройства);

· характеристика дополнительного воздействия на ход технологического процесса в результате применения данного устройства.

Приблизительно так описано понятие «устройство» в блоке проектирования плавки системы ОРАКУЛ на ММЗ. При формализации характеристик самой печи (ковша) кроме указанных выше параметров используется понятие «геометрические и конструктивные особенности печи», которые позволяют, например, определить момент начала удаления шлака из печи (ковша) (самотеком, либо принудительно) и рассчитать массу удаленного из печи (ковша) шлака, используя эту информацию и в тепловой модели.

Описание используемых материалов и энергоносителей должно содержать информацию:

· о фактическом или среднестатистическом (например - для видов лома) химическом составе;

· о стоимости и / или условном коэффициенте, характеризующем ценность данного материала (энергоносителя) для конкретного предприятия в конкретных условиях (исходя, например, из запасов материала (энергоносителя) на предприятии и возможностей пополнения этого запаса);

· о коэффициентах (определяемых, как правило, опытным путем в период внедрения модуля прогнозирования фактического состояния), характеризующих время и объем усвоения данного материала (энергоносителя) на конкретном агрегате технологической линии производства стали.

Особое место среди используемых материалов занимает лом, так как:

· точный фактический химический состав лома, поступившего в печь всегда неизвестен, приходится довольствоваться лишь приближенным среднестатистическим составом каждого вида лома;

· в качестве элемента задания на плавку в систему моделирования зачастую поступает информация не о фактическом весе и видах лома, а лишь рекомендуемая таблица шихтовки, либо статистический анализ использования лома для выплавки данной марки стали на данном предприятии. На основании этой информации первоначально и будет работать система моделирования плавки, а по мере поступления информации о фактическом весе и видах лома, подаваемых в печь, будет осуществлен перерасчет.

Система оптимизации ориентирована на выпуск плавки с минимальной себестоимостью тонны жидкого металла. Дополнительные требования, как элемент задания на плавку, будут зависеть от особенностей конкретного производства. В качестве дополнительных условий оптимизации для системы ОРАКУЛ на Молдавском металлургическом заводе планируется реализовать (а частично уже реализованы), например, такие:

· выпустить плавку к назначенному сроку (в том числе и в кратчайший срок);

· выпустить плавку с минимальным или максимальным использованием того или иного энергоносителя или материала.

Иначе говоря, задание на плавку определяет что, какими средствами и в каких условиях должна сделать САВП.

Для нормального функционирования САВП необходимо определить минимальный и рациональный объемы информации о ходе технологического процесса. В качестве рационального объема предложен следующий перечень информации:

· вид и вес каждого вида лома в каждой подвалке (завалке) и время поступления каждой корзины лома в печь, а так же температура лома в момент поступления его в печь;

· вес каждого поступившего в печь (ковш) материала и энергоносителя при каждой отдаче и нарастающим с момента начала плавки итогом от каждого устройства (механизма);

· вес стали в ковше при отдаче каждой порции материалов на сливе;

· информация о времени и результатах фактических замеров температуры жидкой стали и отборов проб;

· информация о времени начала и окончания основных этапов плавки;

· моменты подъема (опускания) и отведения (наведения) свода;

· время начала и окончания выпуска (слива) стали;

· информация о температуре и объеме отводимого из печи газа и содержании в нем CO и CO2;

· информация о работе системы охлаждения элементов печи:

· температура охлаждаемых панелей и подины;

· расход и входная и выходная температура охладителя (воды);

· информация о наклоне печи и / или других событиях, влияющих на изменение ее эффективного объема;

· массе шлака и жидкой стали, оставшейся в печи после выпуска плавки.

Следует отметить, что получить достоверную информацию о массе «болота» крайне затруднительно. В системе ОРАКУЛ на ММЗ используется расчетные (а не измеренные) значения массы болота и шлака, оставшиеся в печи после выпуска предыдущей плавки, для чего постоянно отслеживается вес металла в ковше на сливе и изменение «геометрических и конструктивных параметров» печи по ходу всей плавки (например - наклон печи).

Приведенный выше перечень информации может оказаться избыточным или недостаточным для других САВП. В нашем случае он отражает текущие потребности системы ОРАКУЛ и частично автоматизированной системы формирования паспорта плавки на Молдавском металлургическом заводе.

Особое значение для САВП имеет эффективный модуль определения этапов плавки и текущего состояния процессов в печи по прямым и косвенным признакам, например - по спектрам тока или напряжения дуги. На ММЗ ведётся работа по созданию модуля мониторинга технологического процесса на основе методов распознавания образов. Его интеграцию в систему ОРАКУЛ планируется осуществить в ближайшее время.

Вид управляющих воздействий на механизмы и устройства определяется формализованными характеристиками устройства в задании на плавку. Как правило, это интенсивность отдачи в печь присущего конкретному устройству материала (энергоносителя). Для сыпучих материалов можно использовать разовые дозы отдачи материала.

В качестве аппаратных средств базовой автоматизации, непосредственно управляющих устройствами очень часто используются контроллеры. По мнению авторов статьи предпочтительнее использовать с этой целью средства, предоставляемые изготовителями промышленных компьютеров и УСО для них. Подробнее необходимо сказать о месте регулятора тока в системе САВП и организации взаимодействия с ним.

1. Регулятор тока (мощности, импеданса) является составной, очень важной частью базовой автоматизации, обеспечивающей работу системы автоматического ведения плавки.

2. Основная задача регулятора - обеспечить эффективное использование мощности трансформатора. Для этого современный регулятор должен обладать своими вычислительными ресурсами.

3. В число функций регуляторов тока часто пытаются включать задачи проектирования плавки и оптимизации процессов («энерготехнологическое» направление). Очень хочется верить, что производители таких регуляторов сумели достичь требуемой компетенции в вопросах не только использования электрических устройств, но и в вопросах компьютерных технологий и металлургии в целом.

Представляется целесообразным следующее взаимодействие регуляторов тока с системой моделирования:

1. регулятор в качестве задания принимает от системы моделирования в удобном для него виде, уставку, характеризующую мощность, которую необходимо подвести в печь от трансформатора, и выполняет это задание;

2. регулятор выполняет любые доступные ему операции, необходимые для адекватного выполнения полученного задания, не дублируя работу САВП. Другие системы базового уровня автоматизации поставляют регулятору необходимую для этого информацию;

3. регулятор передает (если он способен это сделать) в систему моделирования информацию о полученном задании и о текущих гармонических составляющих и среднеквадратичных значениях тока и напряжения.

Ядром системы автоматического ведения плавки является система моделирования, способная:

· отслеживать и прогнозировать текущее состояние процессов на агрегатах, участвующих в ведении плавки, и отображать их;

· проектировать плавку исходя из фактического или расчетного текущего состояния процесса и задания на плавку;

· выдавать управляющие воздействия устройствам, применяемым при ведении плавки, и рекомендации технологическому персоналу по применению технологических устройств, недоступных по той или причине для непосредственного управления САВП;

· участвовать в предварительном «лабораторном» проектировании плавки для отработки новых технологических приемов и прогнозировании эффекта от применения новых материалов и технологических устройств;

· осуществлять расчет перспективных оптимальных потребностей конкретного сталеплавильного производства в материалах и энергоносителей, используемых в технологических процессах.

Исходя из перечисленных выше задач ядра, в нем условно можно выделить несколько модулей:

· модуль тепловой модели;

· модуль расчета текущего состояния и прогнозирования;

· модуль проектирования плавки;

· модуль планирования потребностей производства.

При такой структуре ядра его модули решают следующие задачи:

Модуль тепловой модели:

· расчет температуры стали;

· расчет доли расплавленной шихты.

Модуль расчета текущего состояния и прогнозирования:

· расчет химического состава стали;

· расчет химического состава шлака;

· расчет условного химического состава нерасплавленной шихты;

· расчет массы сошедшего шлака;

· расчет массы жидкой стали;

· расчет массы и состава шлака и болота, остающегося в печи после выпуска плавки;

· расчет ожидаемых технико-экономических показателей плавки;

· поиск экстремума целевой функции.

Модуль проектирования плавки:

· расчет и выдача управляющих воздействий для всех устройств в ходе процесса выплавки стали, необходимых для выполнения задания на плавку;

· оптимизация расхода материалов и ресурсов в соответствии с заданием на плавку.

Модуль планирования потребностей производства:

· расчет заявки на поставку материалов и энергоресурсов, исходя из перспективного плана производства;

· оценка эффективности применения альтернативных видов материалов и энергоресурсов для выплавки заданных марок стали.

Условность в данной трактовке назначения каждого из модулей ядра САВП заключается в том, что любая из задач ядра САВП решается не отдельным модулем, а в тесном взаимодействии нескольких, а иногда и всех, модулей ядра. Так, например, модуль расчета текущего состояния и прогнозирования не сможет обеспечить должной точности без достоверной информации от тепловой модели. Модуль проектирования плавки, не только использует результаты работы тепловой модели и модуля расчета текущего состояния и прогнозирования в качестве исходных данных для работы, но и неоднократно «привлекает» эти модули в процессе поиска оптимального способа выполнения задания на плавку. Упрощенная структурная схема системы ОРАКУЛ, используемой в качестве ядра САВП ОРАКУЛ, представлена на рис. и описана ниже:

плавка автоматический технологический металлургический

Упрощенная структурная схема системы ОРАКУЛ на ДСП-2 ММЗ

1. ОРАКУЛ-клиент - один из основных расчетных модулей системы. В рамках этого процесса выполняется тепловая модель и расчет текущего химического состава стали, шлака и отходящих газов. Необходимая для расчетов информация запрашивается у ОРАКУЛ-сервера (связь 1). Процесс планирует свою работу и работу модуля ОРАКУЛ-проект (связь 3 - разрешение работы процесса ОРАКУЛ-проект, связь 4 - получение информации о результате расчета). В качестве исходного материала для расчетов может служить не только текущая информация о ходе процессов на агрегатах электросталеплавильного производства (эта информация поставляется ОРАКУЛ-сервером - связь 2), но и «историческая» информация о ходе прошедших плавок, получаемая из локальной базы данных (связь 16). Это удобно при отладке ядра, т.к. ОРАКУЛ-клиент поддается настройке.

2. ОРАКУЛ-проект на основании информации о текущем состоянии процессов выполняет расчет оптимальных управляющих воздействий для всех устройств, участвующих в производстве стали на данном агрегате, для достижения заданного результата. Задание на плавку запрашивается у ОРАКУЛ-сервера (связь 7). Содержание задания на плавку, передаваемого ОРАКУЛ-сервером (связь 8) было описано выше. Результаты расчета передаются ОРАКУЛ-регулятору (связь 5).

3. ОРАКУЛ-регулятор осуществляет преобразование управляющих воздействий, рассчитанных ОРАКУЛ-проектом в вид, воспринимаемый устройствами сталеплавильного агрегата (непосредственно или при участии системы базовой автоматизации - связь 6).

4. ОРАКУЛ-сервер - основной процесс, обеспечивающий взаимодействие расчетных модулей с системами базовой автоматизации, технологической базой данных и оператором системы. Получая запросы от процессов системы (связи 1, 7, 11), ОРАКУЛ-сервер готовит соответствующую информацию и передает ее потребителям. Кроме того, этот процесс ведет запись в локальную базу данных информации о работе системы в ходе плавки (связь 13). Эта информация может быть в дальнейшем использована, например, для формирования некоторых отчетных форм с помощью ОРАКУЛ-отчета.

5. ОРАКУЛ - MMI (man machine interface) предназначен для оперативной и «исторической» визуализации технологического процесса в том виде, каким он представляется системе ОРАКУЛ. Так как система конфигурируема и настраиваема под конкретные условия производства, то ОРАКУЛ-MMI служит и для обеспечения взаимодействия технологического персонала с системой в целом в процессе настройки и подстройки.

6. ОРАКУЛ-имитатор позволяет в реальном масштабе времени «проиграть» записанные ранее ОРАКУЛ-сервером плавки. Это удобно и для настройки системы, и для анализа действий системы (и / или технологического персонала) в ходе плавки, и для обучения персонала.

К достоинствам такой структуры можно отнести ее модульность. Так, например, в приведенной выше схеме отсутствует модуль планирования потребностей производства, так как на Молдавском металлургическом заводе решили пока не заниматься его внедрением. В ближайшее время планируется создать модуль ОРАКУЛ-тренажер, предназначенный, например, для обучения и аттестации технологического персонала.

На основе варианта системы ОРАКУЛ на ММЗ создан, так называемый, «Редактор хода плавки», позволяющий реализовать режим «что если». С помощью данного модуля можно проанализировать ход уже прошедших плавок или создать на их основе или «с нуля» проект ведения новых плавок. Этот модуль применим, например:

· для отработки новых технологических приемов ведения плавки;

· для анализа обоснованности применения существующего или планируемого к установке устройства и механизма;

· для оценки эффективности применения новых шихтовых материалов;

· для создания «шаблонов» ведения плавки в системах, построенных по «командно-аппаратному» принципу (следует еще раз подчеркнуть, что система ОРАКУЛ к таковым не относится).

Построение эффективной системы автоматического ведения плавки невозможно без учета следующих факторов, определяющих выбор программных и аппаратных средств для реализации САВП:

1. периодичность получения и выдачи управляющих воздействий механизмам и устройствам, а также скорость обработки необходимой информации должна соответствовать скорости процессов в реальной плавке;

2. ритмичность производства и качество продукции во многом будут зависеть от устойчивости и восстанавливаемости каждой составляющей части системы;

3. возможность дальнейшего развития, модернизации и наращивания системы в целом должна закладываться на каждом этапе ее создания.

Уважая выбор каждого предприятия и разработчика, хочется отметить, что с точки зрения авторов данной статьи оптимальный на сегодняшний набор программно-аппаратных средств, на котором необходимо строить САВП, следующий:

1. Промышленные компьютеры и устройства связи с объектами (УСО) семейства Advantech и подобные, так как поддержка ими принципа «открытой архитектуры» (в отличии от большинства контроллеров) позволяет:

§ использовать стандартные средства разработки программного обеспечения, а значит и облегчить организацию взаимодействия между разными программно-аппаратными комплексами;

§ уменьшить зависимость системы от технической и маркетинговой политики отдельных производителей аппаратных средств.

2. Операционная система реального времени QNX с протоколом FLEET для обеспечения межзадачного обмена, так как ни одна из других известных сегодня авторам статьи операционных систем пока не может обеспечить сопоставимого уровня быстродействия, устойчивости и «масштабируемости» в системах управления технологическими процессами.

3. Технологическая база данных на основе Sybase SQL Anywhere, графический интерфейс пользователя Photon, компилятор Watcom C/C++, так как именно эти программные продукты позволяют использовать возможности операционной системы QNX в системах управления технологическими процессами в полном объеме;

4. Система ОРАКУЛ в качестве ядра САВП, об особенностях и достоинствах которой подробнее можно узнать из [1-4], кратко, выполняет следующие функции:

§ адекватно оценивает состояние процессов на агрегатах технологической линии электросталеплавильного участка в текущий момент, а также в ретро- и перспективе;

§ вырабатывает оптимальные рекомендации и управляющие воздействия для перевода процессов из текущего в назначенное состояние;

§ использует объективно-необходимый минимум статистической информации, основываясь, прежде всего, на строгом термодинамическом расчете состояния системы «металл-шлак-газ» в масштабе реального времени.

Попытки построить эффективную систему автоматического ведения плавки за счет статистических моделей и наращивания ресурсов аппаратных средств бесперспективны, если при этом не обеспечить применение эффективных методов анализа и расчетов, их программную реализацию и адекватное использование.

Своеобразие внедрения САВП состоит в том, что это не изолированный объект, сдаваемый «под ключ», а поэтапная автоматизация интеллектуального труда лиц, принимающих решение (ЛПР) [5], начиная от сталевара. Развертывание подобной системы должно предполагать окупаемость на каждом этапе и широкое вовлечение в процесс ее создания персонала конкретного предприятия.

Организационные аспекты внедрения такой системы должны включать:

· принятие решения о создании САВП и определение ее места и задач в существующей и перспективной технологии, формулировка принципов реализации САВП;

· самостоятельная или во взаимодействии с экспертами оценка реальных возможностей существующего парка контрольно-измерительных устройств, исполнительных механизмов, программных и аппаратных средств;

· самостоятельная или во взаимодействии с экспертами оценка реальной структуры и возможностей подразделений предприятия, занимающихся технологическими процессами и их автоматизацией, а так же степени их взаимодействия;

· оценка необходимости и возможности привлечения к работе представителей специализированных организаций, определение форм участия подобных организаций в совместной работе и выбор таких организаций;

· изменение (при необходимости) существующей структуры «команды», участвующей в создании САВП без остановки производства;

· утверждение структуры САВП, комплексного плана работ и финансирования для ее реализации, составленных в результате проведения указанных мероприятий, назначение сроков реализации и ответственных;

· контроль над исполнением и финансированием плана работ;

· анализ эффективности выполненных на каждом этапе мероприятий и корректировка общего плана работ по результатам этого анализа;

· формирование технического задания на очередной этап.

Утвержденная структура САВП прежде всего должна содержать информацию:

· об исполнительных механизмах и контрольно-измерительных устройствах;

· о средствах базовой автоматизации и системах нижнего уровня автоматизации (прежде всего PLC - programmable logical controllers на базе микроконтроллеров, контроллеров и / или промышленных компьютеров);

· о системах управления процессами (PCS - process control systems);

· о базе данных;

· о средствах визуализации и взаимодействий с технологическим персоналом (MMI - man-machine interface).

· о взаимодействии всех составляющих системы;

· о взаимодействии систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) с существующей или перспективной системой управления производством (АСУП).

В ближайшие годы следует ожидать интенсивного развития интеллектуальных систем управления, направленных на реализацию наиболее продуктивной функции компьютерных АСУ - оптимального управления. Отличительной особенностью таких систем является наличие ядра в виде модели, суммирующей обширный круг предметных знаний, относящихся к функционированию объекта управления. Первым шагом развёртывания интеллектуальной системы на сталеплавильном предприятии, на наш взгляд, должна быть создана система ведения плавки в автоматическом режиме (САВП).

В статье изложены практические аспекты построения такой системы, принятые на ММЗ.



Библиографический список

плавка автоматический технологический металлургический

1. Пономаренко А.Г. Термодинамическая модель плавки и проблема построения детерминированной модели сталеплавильного процесса. // Металлы. - 1992, ¦1, с. 42-48.

2. Храпко А.С. Термодинамическая модель системы металл - шлак - газ для АСУ и машинных экспериментов по оптимизации технологии сталеплавильного процесса.: Дисс. канд. техн. наук. - Донецк.: Донецк. полит. институт, 1990.

3. Храпко С.А., Иноземцева Е.Н., Харченко А.В. Термодинамическая модель системы металл-шлак-газ и интегрированная система «Оракул»: использование для прогнозных расчётов и управления в составе АСУТП и разработки сталеплавильных процессов. - В кн.: Тезисы докладов «Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии». - Новокузнецк, 1991. С. 222 - 223.

4. Пономаренко А.Г., Гуляев М.П., Деревянченко И.В., Храпко С.А. и др. Промышленное освоение компьютерного управления выплавкой стали на БМЗ и ММЗ на основе физико-химической модели «ОРАКУЛ». // Труды пятого конгресса сталеплавильщиков. - Москва. - 1999.

5. Производственные системы с искусственным интеллектом / Алиев Р.А. и др. - М.: Радио и связь, 1990. - 264 с.

Размещено на Allbest.ru

...