Алгоритмы управления кислородно-конвертерной плавкой стали с учетом межцикловых зависимостей

Актуальность проблемы. Существующие подходы, методы и формализованные алгоритмы управления сложными технологическими процессами, к числу которых следует отнести и кислородно-конвертерную плавку стали, базируются в основном либо на представлениях и моделях внутренних механизмов протекающих процессов, либо на функциональных зависимостях, отражающих вход-выходные соответствия этих процессов. В значительно меньшей степени учитываются свойства различного рода внешних и внутренних возмущений, действующих на процесс, особенно неконтролируемых возмущений. Одним из конструктивных подходов здесь можно считать косвенное оценивание так называемых приведенных возмущений с последующим их учетом при выработке управляющих воздействий. Однако такой подход развит и успешно применяется только для непрерывных процессов. Из содержательных соображений и практики управления циклическими объектами следует, что процессы на текущем цикле зависят не только от начальных условий и координат состояния текущего цикла, но и предыстории прошлых циклов. Например, для кислородно-конвертерной плавки стали важным является состояние футеровки конвертера, сравнительно медленно изменяющейся от плавки к плавке и в подавляющем числе случаев объективно неконтролируемойтакже содержат медленноменяющиеся неизмеряемые составляющие характеристик шихтовых материалов. В то же время можно утверждать, что от 40 до 60% вариаций выходных воздействий циклических технологических процессов обусловлены именно неконтролируемыми возмущениями. Поэтому актуальным следует считать распространение подхода с оцениванием приведенных возмущений и на циклические процессы.

При некоторых свойствах приведенных возмущений даже их полный учет не может привести к желаемой эффективности управления. Последнего можно достичь только с расширением пространства управляемых факторов, в данном случае за счет активного управляемого влияния на свойства приведенных возмущений. А это возможно при правильной постановке и решении важной задачи совместного управления внешними воздействиями и преобразующими их каналами технологических процессов.

Диссертация выполнена в соответствии с планами хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ: федеральной целевой программы «Интеграция» (1997 — 2002 г.), гранта Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук по направлению «Автоматика и телемеханика, вычислительная техника, связь, метрология» (2000 — 2002 г.), комплексными программами создания и развития АСУ ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» (г. Новокузнецк), ОАО «Северсталь» (г. Череповец).

Цель и задачи диссертации. Развитие подхода к управлению с учетом неконтролируемых возмущений в приложении к циклическим технологическим процессам. В рамках этой цели выделены конкретные задачи. 1. Обоснование расширения объекта управления циклическими процессами с учетом межцикловых зависимостей. 2. Формирование общей структуры алгоритма управления с межцикловыми зависимостями. 3. Разработка методик управления свойствами межцикловых зависимостей кислородно-конвертерного производства стали. 4. Построение межцикловых зависимостей кислородно-конвертерной плавки стали. 5. Конкретизация алгоритмов управления кислородно-конвертерной плавкой стали. 6. Промышленная проверка и внедрение разработанных методик и алгоритмов.

Методы выполнения работы. Обобщение практического опыта управления циклическими объектамиметоды теории автоматического управления, идентификации, прогнозирования нестационарных временных последовательностей, статистической обработки данныхпроведение промышленных экспериментов.

Научная новизна диссертации.

1. Расширение циклических объектов управления с включением в их структуру межцикловых зависимостей. Понятие «межцикловые зависимости» и методики их определения.

2. Обобщенная структура алгоритма управления с межцикловыми зависимостями и управляемым влиянием на их свойства.

3. Межцикловые зависимости кислородно-конвертерной плавки стали, представленные статистическими характеристиками составляющих межциклового приведенного возмущения.

4. Методики целенаправленного влияния на свойства межцикловых зависимостей кислородно-конвертерной плавки путем специальной подготовки извести с рациональным гранулометрическим составом, металлолома с удалением неметаллических включений, ухода за футеровкой конвертера.

5. Результаты исследования разработанных алгоритмов и методик, доказывающие повышение эффективности управления на 17−25% по сравнению с алгоритмами, в которых не учитываются межцикловые зависимости.

Практическая значимость. Обобщенные структуры алгоритмов, их конкретизации, построенные межцикловые зависимости, методики специальной подготовки извести, металлолома, ухода за футеровкой конвертера могут быть использованы при разработке алгоритмического обеспечения кислородно-конвертерной плавки стали, в практике подготовки шихты плавки, а также при обучении студентов соответствующих специальностей.

Реализация результатов работы. В кислородно-конвертерном цехе № 2 ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» (г. Новокузнецк) внедрены алгоритмы расчета шихтовых материалов и суммарного количества кислорода на плавку, методики специальной подготовки извести и металлолома. В сталеплавильном производстве ОАО «Северсталь» г. Череповец) внедрены алгоритмы управления кислородно-конвертерной плавкой стали с учетом предыстории работы конвертеров, методика ухода за футеровкой конвертера.

Предмет защиты и личный вклад автора.

1. Расширенный объект управления циклическими процессами с введением межцикловых зависимостей.

2. Обобщенная структура алгоритма управления циклическими объектами и его конкретизация для кислородно-конвертерной плавки.

3. Методики специальной подготовки извести и металлолома, ухода за футеровкой конвертера.

4. Межцикловые зависимости кислородно-конвертерной плавки.

5. Результаты исследования и внедрения алгоритмов и методик в кислородно-конвертерных производствах.

Личный вклад автора заключается в развитии подхода и формировании общей структуры алгоритма управления циклическими процессами, конкретизации алгоритмов и построении межцикловых зависимостей кислородно-конвертерной плавки стали, разработке, проверке и внедрении алгоритмов управления и методик специальной подготовки металлолома, извести и ухода за футеровкой конвертера.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на 6 конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество» (Новокузнецк, 2002 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2003, 2004 г.), IV Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2003 г.), III Региональной научно-практической конференции «Информационные недра Кузбасса» (Кемерово, 2004 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, реинжиниринг, автоматизация» (Новокузнецк, 2004 г.).

Во введении обоснована актуальность проблемы, кратко охарактеризованы полученные научные и практические результаты, используемые методы исследования и содержание диссертации по главам.

В первой главе приведен анализ предшествующих исследований по общетеоретическим вопросам синтеза алгоритмов управления в условиях неопределенностей и разработкам алгоритмов управления кислородно-конвертерной плавки стали. На основе обобщения теоретических исследований и практического опыта управления циклическими процессами металлургического производства сформирована обобщенная структура системы управления. Для описания внешних воздействий введено новое понятие «межцикловые зависимости» как реально присущие для цикловых процессов свойства, характеризующие развитие системы от цикла к циклу. Межцикловые зависимости предложено описывать автокорреляционными функциями приведенных к управляющим входам преобразующего механизма неконтролируемых воздействий, рассчитанных для каждого прошедшего цикла. Описана методика построения межцикловых зависимостей.

Во второй главе приведены конкретные мероприятия по управлению межцикловыми зависимостями для кислородно-конвертерного процесса, а также рассмотрена возможность целенаправленного изменения структурой объекта. Представлены результаты исследования и оценки эффективности управления межцикловыми зависимостями. Разработана методика ухода за поверхностью футеровки конвертера и поддержания степени износа футеровки в требуемых пределах на основе интегральных показателей топографии внутренней поверхности футеровки.

В третьей главе разработан и проанализирован алгоритм расчета компонентов шихты и интегрального расхода кислорода на плавки с учетом межцикловых зависимостей. Описана общая структура алгоритма. Приведены результаты промышленных испытаний разработанных алгоритмов расчета шихтовых материалов и расхода кислорода на плавку.

В приложении представлены акты о внедрении результатов диссертационной работы A.M. Петрунина в кислородно-конвертерном цехе № 2 ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат», в сталеплавильном производстве ОАО «Северсталь». Приведены фрагменты исходных данных для ККЦ № 2 ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» и сталеплавильного производства ОАО «Северсталь».

Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору, лауреату премии Совета Министров СССР, Государственной премии СССР, Заслуженному изобретателю РСФСР Л. П. Мышляеву. Автор признателен коллективам ООО «Научно-исследовательский центр систем управления» и кафедры систем автоматизации СибГИУ за плодотворное сотрудничество и помощь в работе.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ И ТЕРМИНЫ

MZP — преобразующий механизм циклического процесса (циклический объект управления);

MWW — преобразующий механизм внешних воздействийU — вектор управляющих воздействий процесса, включающий: G4, Gj, GM, Gp, Gaмассу чугуна, лома, извести, руды, агломерата, тJ02 — интенсивность подачи кислорода, м3/мин;

Нф — расстояние между кислородной фурмой и уровнем ванны, м;

V — суммарное количество кислорода, израсходованного за плавку, м3- JIT — доля тяжеловесной составляющей в ломе, %;

W — вектор внешних воздействий процесса, включающий: т — длительность межцикпового простоя конвертера без чугуна, мин;

Si4, Мпч, Рч, S4 — содержание кремния, марганца, фосфора, серы в чугуне, %;

Тч — температура чугуна, °С;

Огд — содержание кислорода в дутье, %;

Y — вектор выходных воздействий процесса, включающий:

С, Mn, SMe> Р — содержание углерода, марганца, серы и фосфора в металлической ванне как по ходу продувки, так и в конце ее, %- MnO, CaO, Si02, FeO — содержание оксида марганца, оксида кальция, кремнезема, оксида железа в шлаке, %- Т — температура металлической ванны, °С;

Y* - вектор заданных значений выходных воздействий процесса, включающий:

С*, Р*, Т* - задания на содержание углерода, фосфора и температуру металла на первой повалке конвертера, %, °СS — вектор состояния объекта управления;

Z = {U, W, Y, Y, S} - обобщенный вектор, включающий информацию о управляющих и внешних воздействиях, а также фактических и заданных выходных воздействиях процесса и состояния объекта управления:

К г г gr

U, W, Y, Y — базовые значения соответствующих воздействий;

Дипр — приращения соответствующих воздействий, обусловленные эффектом изменения приведенного возмущения.

Индексы: «М», «Т» сверху обозначены соответственно модельные и требуемые значения исследуемых воздействий- «D» сверху действительные значения воздействий- «W» снизу — принадлежность к преобразующему механизму внешних воздействий- «Р» снизу принадлежность к преобразующему механизму циклического процесса- «* «сверху — задание;

Символы «Э», означают сглаженные и экстраполируемые значения воздействий.

Межцикловые зависимости — реально присущие для цикловых процессов свойства, характеризующие развитие системы от цикла к циклу.

Экстраполяция — оценивание будущих значений состояния и выходных воздействий на основе информации только об их предыстории.

Координатные возмущения — вариации воздействий относительно их базовых (опорных) уровней.

Параметрические возмущения — вариации свойств объекта во времени или в зависимости от условий его функционирования, отображенные через изменения параметров (коэффициентов) математических моделей.

Приведенные возмущения — определяемая расчетным путем оценка совокупности всех эффектов неконтролируемых возмущений, выраженная в масштабе изменения выходных или входных управляющих воздействий.

Определяющие воздействия — такие величины, которые характеризуют свойства шихтовых материалов, задания на химсостав и температуру металла, простои конвертера, номер плавки с начала кампании по футеровке агрегата, продувочной фурмы и др.

Базовый режим кислородно-конвертерного процесса — усредненные не менее чем по 10 плавкам значения контролируемых входных, состояний и выходных воздействий, на которых балансовые и термодинамические модели обеспечивают приемлемые показатели точности.

Релейно-экспоненциальное сглаживание (РЭС) временных рядов данных — сочетание экспоненциального и релейного сглаживания обеспечивающее помехозащищенность результатов от обычных и грубых ошибок.

Требуемые значения масс шихтовых материалов — это такие их значения, которые обеспечивают точное выполнение заданий на выходные воздействия кислородно-конвертерного процесса при удовлетворительном течении основных физико-химических превращений в газовой, металлической и шлаковой фазах.

Размерность коэффициентов пересчета в корректирующих моделях полиномиального вида определяется в виде следующего соотношения размерность определяемой величины размерность определяющего фактора

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ

По результатам работы сделаны следующие выводы и заключения.

1. Один из перспективных путей развития алгоритмизации управления в условиях неопределенности заключается в совместном управлении свойствами возмущений и объектами последующего их преобразования.

2. Наибольшего эффекта в управлении технологическими процессами можно достичь при согласованном совершенствовании технологических мероприятий, влияющих главным образом на свойства возмущений, и методов и алгоритмов выработки управляющих воздействий с учетом свойств этих возмущений.

3. Протекание циклических процессов зависит не только от начальных условий и координат состояния текущего цикла, но и предыстории прошедших циклов, что требует включения в алгоритмы управления циклическими процессами операции оценивания и учета объективно присутствующих межцикловых зависимостей.

4. Удобной для практического использования в целях управления формой описания межцикловых зависимостей являются автокорреляционные функции приведенных к управляющему входу циклического объекта неконтролируемых возмущений.

5. Объекты управления циклическими процессами должны включать преобразующий механизм внешних воздействий и преобразующий механизм непосредственно циклического процессауправляющая подсистема — формировать координатные, параметрические и структурные воздействия на оба механизма.

6. Разработанные методики целенаправленного влияния на свойства межцикловых зависимостей кислородно-конвертерной плавки стали путем специальной подготовки металлолома, извести, а также ухода за футеровкой конвертера позволили изменить свойства неконтролируемых возмущений в желаемом направленииспад их автокорреляционных функций уменьшился вдвое.

7. Надлежащее оценивание и применение межцикловых зависимостей в алгоритмах расчета шихты кислородно-конвертерной плавки стали позволило увеличить на первой повалке конвертера число попаданий в заданный диапазон по содержанию углерода, фосфора в металле, его температуры на 17 — 25%.

8. Разработанные технологические мероприятия и алгоритмы расчета шихты и расхода кислорода на плавку опробованы и внедрены в конвертерных цехах ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» (г. Новокузнецк) и ОАО «Северсталь» (г. Череповец).