Комплексное моделирование и автоматизация контроля теплового состояния доменной печи

Высокая оснащенность современных доменных печей средствами автоматизации требует разработки специализированного программного обеспечения. Опыт работ специалистов в данной области показывает [1], что уровень автоматизации конкретной доменной печи (ДП) определяется не числом реализованных систем, а их функциональным содержанием и системы автоматизации ДП должны иметь в своем составе набор элементов, позволяющих выполнять автоматизацию доменного процесса в целом. Задача автоматизации печи состоит в разработке комплекса мероприятий, направленных на повышение технико-экономических показателей производства чугуна путем рационального построения и организации взаимодействия систем автоматического контроля и управления со структурными элементами технологического комплекса печи [1]. Таким образом, программные и аппаратные средства автоматизации доменного процесса должны иметь в своем составе набор элементов, позволяющих выполнять автоматизацию того или иного этапа доменного производства [2].

По сравнению с капитальными вложениями в доменное производство, определяемыми большими его масштабами, вложения на оборудование доменного цеха системой автоматизированного контроля очень незначительны, но в тоже время дают возможность даже при небольшом улучшении доменного процесса получить существенный экономический эффект, окупающий расходы по созданию системы [3]. При этом обстоятельства требуют, чтобы на каждой доменной печи был определен свой эталон высокопроизводительной и экономичной работы [4].

Рассматриваемый в данной работе объект — доменная печь № 5 Кузнецкого металлургического комбината — относится к числу сложных систем и определяется следующими особенностями [3]:

• исключительно большие размеры печи как технической системы;

• случайный характер процессов и статистическая природа связей между сигналами;

• «большая память» системы;

• нелинейность связей между входными и выходными сигналами;

• большое число неконтролируемых возмущающих воздействий.

Одной из наиболее существенных характеристик доменного производства является специализация по отдельным технологическим подсистемам и сопутствующая ей координация работ [1]. Поэтому наиболее естественным подходом к декомпозиции системы управления доменным процессом является разделение по основным структурным элементам, составляющим технологический комплекс доменной печи. Для реализации заданных функций подсистем необходимы системы локального контроля и управления, т. е. каждый структурный элемент должен находиться в определенном иерархическом уровне. В данной работе рассматривается автоматизация одного элемента технологического комплекса ДП — теплового состояния (ТС). Важность данной задачи обуславливается, прежде всего, следующими двумя причинами.

Во-первых, тепловое состояние доменной печи является одним из основных факторов, оказывающих существенное влияние практически на все технико-экономические показатели доменного производства чугуна. Во-вторых, не менее существенное влияние тепловое состояние горна и других частей доменной печи оказывает и на производственную, социальную и экологическую безопасность эксплуатации доменной печи, а также на длительность межремонтных периодов. Особенно важно с этой точки зрения является задача контроля теплового состояния горна доменной печи и его разгара.

В настоящее время активно внедряются средства автоматизации различных подсистем ДП. Так в Донбасском горно-металлургическом институте (научный руководитель доцент А.М. Новохатский) разработана система контроля уровня жидких продуктов плавки и теплового состояния горна доменной печи. В НПО «Доникс» разработана и внедрена на ОАО АМК автоматизированная система теплового состояния воздушных фурм (АСКоС). Разработан ряд систем автоматического контроля ТС горновых холодильников и прогара фурм доменной печи. Решение задачи автоматизации и контроля ТС ДП также не осталось без внимания. Был рассмотрен ряд моделей доменного процесса, но наиболее значимой (и, фактически единственной) разработкой последних 10 лет является способ замкнутого регулирования теплового состояния доменной печи («Способ ЗРТС»), разработанный институтом металлургии УрО РАН (г. Екатеринбург) для ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» (1993;1999г.г.). В нем реализован вероятностно-функциональный способ регулирования ТС ДП, основанный на контроле рассогласования между количеством генерируемой в печи теплоты и ее расходом и на непрерывном изменении регулирующего дутьевого параметра в соответствии со знаком рассогласования. Таким образом, можно говорить об актуальности работ по созданию системы контроля и управления ТС ДП.

Согласно Ю. П. Волкову, оценить тепловое состояние ДП можно по внешним (физический нагрев, химический состав чугуна и шлака) и внутренним (распределение газового потока, плавность скорости схода шихты, степень использования СО, Нг и т. п.) признакам. С другой стороны, согласно М.А. Кли-мовицкому и А. П. Копеловичу, тепловое состояние горна можно оценить по температуре фурменных зон.

Существует только, два способа управления ТС: «сверху» (через систему загрузки, путем распределение^Шихтовых материалов в горне) и «снизу» (через систему дутья, управляя газовым потоком). Первоочередной и важнейшей задачей управления технологическими процессами плавки чугуна в ДП является обеспечение ее ровного хода — состояния, которому присущи следующие особенности:

1. Распределение скорости схода шихты в любом горизонтальном сечении доменной печи с течением времени не изменяется.

2. Распределение шихтовых материалов и газового потока по горизонтальным сечениям доменной печи не изменяются во времени, при этом использование химической и тепловой энергии газового потока является максимальным, а расход кокса и вынос колошниковой пыли имеют минимальные для данных условий плавки значения.

3. Тепловое состояние ДП является стационарным и обеспечивает получение чугуна с заданными физико-химическими свойствами.

4. Толщина гарниссажного покрытия внутренней стенки ДП во всех ее точках имеет такие значения, которые обеспечивают постоянство рабочего профиля печи и его сохранность при эксплуатации.

Названные особенности характеризуют работу различных систем ДП для обеспечения ее ровного хода. Поэтому для решения задачи прогнозирования поведения ДП и контроля ее теплового состояния требуется проводить комплексное моделирование, так как от достоверности результатов моделирования зависит корректность работ по созданию автоматизированной системы управления (АСУ), в том числе и для контроля теплового состояния ДП.

Второй задачей внедряемых средств автоматизации ДП является задача обучения технического персонала или повышение его квалификации. Данная задача не утрачивает своей актуальности, так как до сих пор не возможно выполнить полную автоматизацию ДП в виду сложности данного объекта, большой его инерционности, стохастического характера протекающих в ДП процессов, нелинейностью связей между входными и выходными параметрами и др.

Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором, сотрудниками кафедр ТОЭ, КСУП и ПМиИ ТУСУРа, а также при содействии метрологического отдела Кузнецкого металлургического комбината и 13 го отдела НИИ АЭМ. Теоретические и практические результаты, изложенные в работе, в основном получены автором.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Рассматривается задача комплексного моделирования и автоматизации контроля ТС ДП, в которой выделяются две подзадачи: разработка и применение методик стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур.

Суть решаемых задач заключается в расширении возможности исследования такого сложного технического объекта как доменная печь в рамках единого эксперимента, учитывая взаимовлияния подсистем, представленных как абстрактными моделями, так и реальными (физическими или натурными).

Потребность в разработке названных методик обусловлена большой сложностью ДП и алгоритмом оценки ее ТС, отсутствием способов всестороннего их анализа. Требуется построить методики стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур, выработать основные их положения, рассмотреть особенности использования в условиях ДП для практической реализации комплексного моделирования и автоматизации.

Цель работы. Разработать методики стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур для комплексного исследования и автоматизации контроля теплового состояния доменной печи и, на основе разработанных методик, создать комплекс программ.

Объект исследования. Алгоритмы комплексного моделирования для автоматизации контроля теплового состояния доменной печи.

Задачи исследования:

1. Сформулировать основные принципы построения методики стратифицированного моделирования разнородных процессов для комплексного изучения теплового состояния доменной печи.

2. Определить принципы построения реально-виртуальных структур для обеспечения совместимости и интеграции моделей подсистем доменной печи в единую модель.

3. Разработать алгоритмы автоматизации контроля теплового состояния доменной печи, на основе предложенных методик.

4. Создать комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов (СМРП).

Теоретические основы выполнения работы. Реализация поставленных задач осуществляется с использованием системного подхода, на основе применяемых в настоящее время наиболее эффективных программных средств (CASE-технологий, средств визуального программирования и т. д.) и на основе теории сложных систем (М. Месарович, В. П. Авдеев, Б. С. Флейшман, Н. П. Бусленко, И. Н. Коваленко, И. В. Максимей, А. А. Вавилов, О. И. Авен, В. М. Дмитриев и др.).

Научная новизна:

1. Методика стратифицированного моделирования разнородных процессов для контроля и управления тепловым состоянием ДП, опробованная в ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат» .

2. Новая методика и алгоритмы построения реально-виртуальных структур, примененные на доменной печи и позволяющие охватить для моделирования абстрактные и реальные модели подсистем.

3. Впервые разработан комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, на базе предложенных методик и алгоритмов.

Практическая ценность. Предложенные методики и алгоритмы развивают теорию моделирования, — позволяют выполнить комплексное исследование и автоматизацию контроля теплового состояния доменной печи, увеличивая адекватность моделей реальным подсистемам. Использование реально-виртуальных структур позволяет снизить затраты времени и средств на создание адекватных моделей, обеспечивает совместимость подсистем, а совместно со стратифицированным моделированием разнородных процессов, позволяет расширить класс объектов моделирования, повысить уровень автоматизации ДП. Разработанный комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, позволяет практически использовать предложенные методики для решения широкого круга задач для ДП.

Защищаемые положения:

1. Методика и алгоритмы стратифицированного моделирования разнородных процессов, позволяющие комплексно представить модели теплового состояния доменной печи на трех уровнях: алгоритмическом, математическом и комбинационном.

2. Методика и алгоритмы построения реально-виртуальных структур для решения задач совместимости и интеграции моделей объекта управления (ОУ) и системы управления (СУ) ДП, позволяющие исследовать ее подсистемы, представленные совокупностью абстрактных и реальных моделей.

3. Комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, реализующий предложенные методики моделирования, в форме законченного программного продукта.

Реализация результатов. Результаты исследований, доведенные до инженерного уровня реализации методик и алгоритмов внедрены в ОАО «Кузнецкий металлургический комбинат», на кафедре теоретических основ электротехники (ТОЭ) ТУ СУР и в НИИ Автоматики и электромеханики при ТУ СУР.

Апробация работы и публикации. Основные теоретические результаты, а также результаты прикладных исследований и разработок, докладывались и получили одобрение на международных и региональных конференциях, публиковались в сборниках трудов и в центральной печати: 7 статей (в том числе 4 в центральной печати: журнал «Приборы и Системы: Управление, Контроль, Диагностика»), 6 тезисов докладов (в том числе один на международной конференции: Международная НТК «Измерение, Контроль, Информатизация — 2001», Барнаул). На предложенные методики, разработанные алгоритмы и программные модули получено четыре свидетельства об отраслевой регистрации разработок.

Достоверность полученных результатов обеспечивается исходными теоретическими, методологическими и практическими данными исследований, апробацией результатов, эмпирическим исследованием функционирования разработанного комплекса программ.

Личный вклад автора. Постановка задач исследования (совместно с руководителем), разработка концептуальных положений предложенных методик комплексного исследования и автоматизации управления ТС ДП, проведение обзорных и теоретических исследований, доведение разработок до инженерных решений, конкретных алгоритмов, комплекса программ СМРП, проведение экспериментальных исследований, интерпретация полученных результатов.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 16 приложений и содержит 134 страницы основного текста, 63 рисунка, 100 использованных источников.

4.4 Выводы.

1. Применение комплекса программ СМРП на доменной печи позволило разработать систему сбора, хранения и отображения информации мастеру, позволяющую повысить эффективность хранения данных и делать прогноз теплового состояния доменной печи с автоматическим выходом на технологическую инструкцию.

2. На основе модели Е-сетей выполнены исследования пропускной способности информационного канала доменной печи, по результатам которых был сделан вывод о возможности повышения уровня автоматизации данного объекта.

3. Построение и исследование модели автоматизированного процесса обучения в рамках реально-виртуальной лаборатории показало справедливость методики СМРП. На основе данных моделирования появилась возможность качественной оценки процесса обучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Комплексное исследование и автоматизация контроля теплового состояния доменной печи является важной научно-технической проблемой, решение которой позволит проектировать более качественные системы управления доменным процессом. В рамках исходной задачи комплексного исследования и автоматизации контроля теплового состояния доменной печи выделяется две подзадачи: применение стратифицированного моделирования разнородных процессов и использование реально-виртуальных структур. Суть решаемых задач за-г ключается в том, чтобы исследовать разные типы взаимодействий доменной печи в рамках единого эксперимента, а так же учитывать взаимовлияние как подсистем, представленных совокупностью абстрактных и реальных моделей.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Выработаны общий подход и принципы построения методики стратифицированного моделирования разнородных процессов, принципы и особенности построения реально-виртуальных структур моделей для исследования решения поставленной задачи.

2. На основе обобщенных известных разработок, проведении модельных экспериментов предложены методика построения реально-виртуальных структур и методика стратифицированного моделирования разнородных процессов для исследования и автоматизации контроля теплового состояния доменной печи.

3. Спроектирована алгоритмическая структура, реализующая предложенные методики для дальнейшего их использования в решении практических задач автоматизации контроля теплового состояния доменной печи.

4. На базе спроектированных алгоритмов разработан комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, позволяющий строить и исследовать системы, представленные совокупностью абстрактных и реальных моделей подсистем.

5. Справедливость предложенных методик и корректность функционирования разработанных программных средств подтверждена в ходе решения задач контроля теплового состояния ДП № 5 КМК и обучения технического персонала данного объекта.

В настоящее время перспективным направлением продолжения работ видится дальнейшее развитие стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур, расширение круга исследуемых с их помощью объектов, совершенствование созданного комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов.

Работа выполнена в соответствии с рекомендациями к оформлению кандидатских диссертаций, изложенными в литературе [99, 100].