Горенский Б.М. (рук.) Информационные технологии в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

131

(первичный) критерий оптимальности; Q

, Q

– локальные критерии оп-

тимальности, учитывающие эффективность управления отдельными показа-

телями.

В зависимости от конкретных условий работы предприятия определя-

ются весовые коэффициенты и, как частный случай, один из критериев опти-

мальности может являться первичным, тогда как остальные выступают в ка-

честве ограничений, накладываемых на систему;

- режим советчика, основной отличительной особенностью которого

являет-

ся использование автоматизированной системы имитационного управления

для коррекции хода реального технологического процесса. При работе в ре-

жиме советчика коррекция осуществляется мастером (технологом) на основе

информации, полученной от ЭВМ. При этом рекомендации могут быть полу-

чены двумя способами. В первом случае ЭВМ по заранее заданной програм-

ме рассчитывает необходимое управляющее

воздействие (или комплекс воз-

действий) исходя из условий оптимальности, а мастер принимает решение об

его использовании. Во втором случае управляющее воздействие определяет-

ся самостоятельно мастером или технологом на основании анализа исследо-

вания различных режимов функционирования системы с помощью имитаци-

онных моделей функционирования объекта, работающих в диалоговом ре-

жиме в реальном или

ускоренном масштабе времени;

- режим обучения, характерной особенностью которого является использова-

ние автоматизированной системы имитационного управления в качестве

компьютерного тренажера, применяемого для исследования процесса и обу-

чения рабочих на виртуальной модели объекта или процесса в реальном или

ускоренном масштабе времени в диалоговом режиме;

- режим контроля знаний, используемый при контроле знаний

мастеров и

технологов и сдаче квалификационных экзаменов техническим персоналом

металлургических предприятий на разряд.

Для реализации перечисленных функций может использоваться ком-

пьютерный тренажер, являющийся составной частью разрабатываемой авто-

матизированной системы имитационного управления. Выбор тренажера в

качестве одного из подуровней автоматизированной системы имитационно-

го управления объясняется: во-первых, меньшими капитальными затратами

на разработку

системы; во-вторых, возможностью быстрого получения отда-

чи за счет более качественного управления, которое может быть реализовано

рабочими, прошедшими обучение на имитационной модели, позволяющей

работать в различных технологических режимах функционирования агрега-

тов, и, в-третьих, возможностью использования компьютерной автоматизи-

рованной системы имитационного управления для коррекции хода реально-

го технологического процесса.

Для реализации вышеперечисленных функций компьютерный трена-

жер должен отвечать следующим основным требованиям:

132

 наглядность, которая предполагает, что на экране монитора должна

быть выведена мнемосхема исследуемого процесса или агрегата с имитацией

основной пускорегулирующей и контрольно-измерительной аппаратуры,

применяемой для управления данным процессом или агрегатом;

 информативность, которая предполагает вывод на экран монитора гра-

фика изменения регулируемого параметра и значений основных входных и

управляющих

параметров, которые применяются для управления исследуе-

мым процессом;

 многофункциональность, которая предполагает выбор режима работы,

управляемого параметра, ускорение масштаба времени, введение временных

задержек, использование управления с прогнозом, имитация случайных воз-

мущений, аварийных режимов и нештатных ситуаций.

Основу функционирования компьютерного тренажера составляют ими-

тационные математические модели исследуемого процесса и алгоритм их

функционирования. При разработке математического и программного обес-

печения необходимо учитывать следующие основные факторы:

- реакция тренажера на управляющие воздействия должна быть иден-

тичной реакции реального объекта на аналогичное возмущение;

- математическая модель должна работать в диалоговом режиме в темпе

с исследуемым процессом или агрегатом и допускать ввод в нее необходи-

мых

управляющих воздействий по ходу процесса и должна учитывать посто-

янную времени объекта;

- модель должна быть открытой и учитывать возможность введения в

нее дополнительной информации и предусматривать возможность управле-

ния в реальном масштабе времени и ускоренном режиме.

Алгоритм функционирования тренажера должен быть гибким, допус-

кающим использование его для решения многофункциональных

задач, до-

пускать многократные повторения однотипных управляющих процедур и

осуществлять анализ полученных результатов управления. Блок-схема алго-

ритма функционирования компьютерного тренажера представлена на рисун-

ке 31.

Блок 1. Ввод исходных данных. Вводятся параметры, характеризую-

щие начальное или текущее состояние процесса, оптимальное значение па-

раметров, допустимые и аварийные пределы изменения основных парамет-

ров,

характеризующих процесс. В память ЭВМ также заносится идеальная

(оптимальная) кривая изменения выходного параметра, характеризующего

технологический процесс.

Блок 2. Выбор режима работы: режим обучения, контроля знаний или

советчика.

Блок 3. Выбор управляемого параметра. В качестве управляемых па-

раметров используются производительность, удельный расход электроэнер-

гии, температура и т.д.

133







Рис. 31 – Блок-схема алгоритма работы компьютерного тренажера

нет

да

нет

да

Начало

Ввод исходных

Выбор режима работы

Выберите управляемый пара-

Управление с прогнозом

Выберите время прогноза

Используете базу данных

Формирование БД

Выбор управляющих воздействий

Введите управляющее воздействие

Расчет управляемого параметра и

вывод его значения на график

Устраивает значение

управляемого параметра

Хотите узнать, как отра-

зилось управление на дру-

гих

параметрах

Печать результатов,

анализ ошибок

Конец

134

Блоки 4 и 5. Управление с прогнозом, при котором рассчитывается

изменение регулируемого параметра на некоторое время вперед.

Блок 6. Используется база данных (БД). В памяти ЭВМ имеется база

экспериментальных данных характеризующих процесс, которую можно ис-

пользовать в режиме обучения.

Блок 7. Формирование БД. Формирование БД производит мастер или

технолог, используя показания приборов, установленных

на щите оператора.

Полученная база данных используется для реализации управления процессом

в режиме советчика.

Блок 8. Выбор управляющего воздействия. Рабочий самостоятельно

выбирает, в зависимости от имеющегося опыта, управляющее воздействие и

его величину из перечня допустимых значений для данного процесса. При

этом в качестве управляющих воздействий может использоваться как один,

так и

несколько входных параметров.

Блок 9. Ввод управляющего воздействия. Рабочий вводит выбранное

управляющее воздействие с помощью используемых для управления данным

процессом регуляторов или исполнительных механизмов, используя для

имитации их управления клавиатуру или мышь.

Блок 10. Расчет значения управляемого параметра и вывод результатов

расчета на график. По имеющейся математической модели ЭВМ рассчитыва-

ет

значение управляемого параметра и выводит его на дисплей или на печать.

Блок 11. Оценка значения управляемого параметра. Рабочий визуаль-

но производит оценку значения параметра, полученного в результате управ-

ления по показаниям приборов и графиков, имеющихся на мнемосхеме про-

цесса. По результатам анализа он принимает решение: продолжить управле-

ние данным параметром или

перейти к управлению другим параметром, ко-

торый применяется для оценки эффективности функционирования данного

технологического процесса или агрегата.

Блок 12. Чтобы узнать, как отразилось управление на других парамет-

рах, рабочий должен выбрать параметр (блок 3), который он хочет прокон-

тролировать, т.е. проверить, как отразилось управление данным параметром

на других параметрах, характеризующих исследуемый

процесс. В случае, ес-

ли значение регулируемого параметра близко к оптимальному и цель обуче-

ния достигнута, производится выход из программы и печать результатов,

достигнутых при обучении.



С учетом приведенных требований в Государственном университете

цветных металлов и золота (ГУЦМиЗ) разработаны автоматизированные

обучающие системы для обучения плавильщиков рудно-термических печей и

печей плавки в жидкой ванне, аппаратчиков аффинажа металлов платиновой

группы, рабочих цехов обжига катодов алюминиевых электролизеров, рабо-

чих минизаводов по производству меди и алюминия и других специалистов.

Разработанные компьютерные тренажеры внедрены в учебный процесс в

135

ГУЦМиЗ и в ряде других вузов при подготовке студентов металлургических

специальностей.

Разработанные компьютерные тренажеры являются первой стадией

имитационных систем принятия решений при управлении объектами цвет-

ной металлургии. Второй стадией развития систем является их работа в ре-

жиме советчика. Третьей и глобальной задачей является работа системы в

режиме супервизорного управления в реальном масштабе времени, что по-

зволит значительно улучшить параметры работы агрегатов

цветной метал-

лургии.

 управляющих воздействий с выходными показателями, характери-

зующими качество функционирования объектов управления. Они относятся к

медленно протекающим процессам, обладающим параметрической неопре-

деленностью и большой постоянной времени. Одним из таких процессов яв-

ляется процесс восстановительной электроплавки медно-никелевого агломе-

рата и оловянных концентратов в рудно-термических печах (РТП). Электро-

плавка сульфидных руд в

РТП по физической природе является сложным

процессом. Процесс электроплавки слабо автоматизирован, что подтвержда-

ется анализом состояния автоматизации. Из анализа материалов можно сде-

лать вывод, что для автоматизации процесса электроплавки в основном ис-

пользуются локальные системы автоматического регулирования, эффектив-

ность применения которых значительно ниже, чем взаимосвязанных АСУ ТП

процессом электроплавки. Для

интенсификации процесса, снижения расхода

сырья и энергии, повышения качества выпускаемой продукции необходимо

создание и внедрение автоматизированных систем управления технологиче-

скими процессами (АСУ ТП) на основе широкого применения современных

средств вычислительной техники. При разработке АСУ очень остро стоит за-

дача сбора и обработки информации о ходе технологического процесса с це-

лью использования

ее в дальнейшем для прогноза динамики изменения ос-

новных технологических параметров и выработки управляющих воздейст-

вий.

Целью создания АСУ процесса электроплавки является уменьшение

содержания никеля, меди, кобальта в шлаке и повышение прямого извлече-

ния цветных металлов в штейн при максимально возможной производитель-

ности и минимальном расходе электроэнергии. Это достигается за

счет ста-

билизации температурного режима работы электропечи. В данной главе рас-

смотрены эти и некоторые другие вопросы разработки системы управления

процессом электроплавки, которые решаются путем включения ЭВМ в кон-

тур управления.

В настоящее время существует ряд разработок по управлению процес-

сом электроплавки в РТП. Однако в большинстве они носят теоретический

характер

и используются в целях усовершенствования конструкции агрегатов

и плавильных цехов в целом, что можно показать на примере АСУ процесса

электроплавки медно-никелевого агломерата в РТП. Система основана на ис-

пользовании модели расчета управляющих воздействий по загрузке шихты и

136

по изменению ее компонентного состава. Для работоспособности данной

системы необходима текущая информация о химическом составе как загру-

жаемых материалов, так и продуктов плавки, что при современной заводской

практике, как было отмечено выше, невозможно. Управление в такой системе

осуществляется путем внесения изменений в процесс шихтоподготовки, что

связано с реконструкцией загрузочного блока

и в условиях уже действующе-

го предприятия практически недопустимо. Однако изменение химического

состава шихты при плавке медно-никелевого агломерата является практиче-

ски реализуемым и может использоваться в заводской практике. Проблема

при этом заключается только в оперативном контроле составляющих загру-

жаемой в электропечь шихты и контроле химического состава расплава шла-

ка.

В заводской практике в управлении РТП наиболее разработанным яв-

ляется вопрос регулирования электрического режима работы печи. Среди

уже действующих систем управления в промышленных условиях можно от-

метить систему регулирования энергетического режима РТП на основе се-

рийно выпускаемого регулятора мощности АРДМТ и АРР-1-ЗЗУ4. Регулятор

позволяет автоматически поддерживать заданный выбор мощности путем

перемещения электродов и переключения ступеней напряжения печного

трансформатора. Стабилизация электрического режима процесса плавки оп-

ределяет эффективное использование электроэнергии и технологического

оборудования.

Однако опыт эксплуатации электропечей показывает, что возникла

острая необходимость в значительном улучшении качества управления тех-

нологическим процессом с использованием для этой цели ЭВМ. Одна из

главных задач применения ЭВМ

состоит в автоматизации сбора и обработки

оперативной информации о процессе и возможности выработки управляю-

щих воздействий с позиций системного подхода.

Так как РТП является многосвязным и нестационарным объектом

управления, то для правильного выбора управляющего решения требуется

наличие информации обо всех доступных контролю параметрах и знание ха-

рактера их взаимосвязи (рисунок 32).

Вводимая

в расплав энергия расходуется на расплавление загружаемой

шихты, нагрев шлака и компенсацию потерь тепла через свод и стенки элек-

тропечи и с охлаждающей водой. Следовательно, вводимая мощность, за-

гружаемая шихта и температура рабочего пространства являются взаимосвя-

занными параметрами. Практика восстановительной электроплавки в РТП

оловосодержащих материалов и сульфидных руд показала, что

для эффек-

тивного использования сырья необходимо управление не только электриче-

ским режимом, но и тепловым, что позволяет вести процесс плавки в требуе-

мом температурном режиме с целью сокращения потерь цветных металлов с

отвальными шлаками.

137

Управление тепловым режимом электропечи при плавке медно-

никелевого агломерата должно осуществляться регулированием расхода

электроэнергии и загрузки шихты. Управление загрузкой шихты осуществля-

ется путем изменения скорости движения транспортеров.

При этом для организации эффективного управления РТП актуальной

является задача сбора и первичной обработки информации о технологиче-

ских параметрах, доступных автоматическому контролю. Поэтому

автомати-

зированную систему управления можно представить как

взаимосвязанную АСУ, состоящую из системы диагностики процесса плавки,

АСУ электрическим режимом, АСУ тепловым режимом и АСУ химическим

составом продуктов плавки, работающую по реализации одной задачи – по-

вышения технико-экономических показателей процесса плавки.

Структурную схему автоматизированной системы имитационного

управления

процессом плавки медно-никелевого агломерата в руднотерми-

ческих печах можно представить в следующем виде (рисунок 33).

Анализ структурной схемы показывает, что система включает в свой

состав четыре основные подсистемы:

Температура воды на выходе , t

Производительность печи, П

Температура расплава, Т

Уровень расплава шлака, Н

шл.

Содержание никеля в шлаке, С

ШЛ

Удельный расход электроэнергии, W

уд

Химический состав штейна, С

м.

Температура охлаждающей воды, t

Расход охлаждающей воды, Q

вод

Количество загружаемой шихты, G

ШХ

Химический состав шихты, С

ШХ

Ток и напряжение на электродах, I

, I

Среднее значение тока и напряжения, I

ср

Расход электроэнергии, W

Э/Э

Заглубление электродов, h

ЭЛ

Вводимая мощность на электродах, Р

, Р

Среднее значение мощности, Р

СР

Влажность шихты

t-ра окружающей среды

Высота нерасплавленной

шихты

РТП

Рис. 32 – Схематическое представление РТП как объекта управления

138

1 – система супервизорного управления процессом плавки;

2 – АСУ, работающая в режиме советчика;

3 – компьютерный тренажер;

4 – система контроля знаний.

Особенностью разработанной системы является возможность работы

как совместно всех четырех систем в составе автоматизированной информа-

ционно-советующей системы, так и самостоятельная работа подсистем, вхо-

дящих

в состав АСУ. Совместная работа подсистем позволит реализовать

управление с позиций системного подхода. Однако опыт разработки взаимо-

связанных систем показывает, что разработка взаимосвязанной АСУ требует

шл

SO2

Объект

управления

БПД

Локальные АСР

АСУ реализую-

щая супервизор-

ный ежим

управления

АСУ

работающая в

режиме со-

ветчика

Компьютерный

тренажер

Автоматизиро-

ванная система

контроля знаний

Автоматизированная система имитационного управления

ОПЕРАТОР

аг

SiO2

кш

ОВ

Рис. 33 – Структура автоматизированной системы имитационного управления про-

цессом плавки в РТП

139

значительных временных и капитальных затрат. Поэтому является целесооб-

разным разработка локальных автоматизированных систем регулирования

отдельных периметров и в дальнейшем объединение их в АСУ ТП. С учетом

вышеприведенного рассмотрим особенности функционирования локальных

систем управления в составе взаимосвязанной АСУ.

Система диагностики процесса плавки в РТП

Система диагностики процесса плавки оловянных концентратов

в РТП

предназначена для оперативного контроля за ходом процесса электроплавки

и своевременного обнаружения отклонений от оптимального режима проте-

кания технологического процесса.

Установлено, что лишь 43% аварий происходит по вине обслуживаю-

щего персонала, больше половины всех аварий связано с недостатками кон-

струкций, скрытыми дефектами, износом и другими причинами. Обнаружить

скрытые дефекты и

назревающие в объекте отказы, прогнозировать ход тех-

нологического процесса и динамику изменения основных технологических

параметров позволяют системы диагностики и прогнозирования.

Работа системы диагностики осуществляется в соответствии с алго-

ритмом (рисунок 34), общая структура которого обусловлена непрерывным

режимом технологического процесса.

Система диагностики (СД) позволяет оценить изменение основных

технологических параметров при взаимодействии двух

непрерывных потоков

(потока загружаемой шихты и вводимой электроэнергии) и выходных пото-

ков (потока периодически выпускаемого шлака и металла (штейна) и тепло-

вых потерь). СД на базе ЭВМ позволяет сравнить текущие значения основ-

ных технологических параметров с их допустимыми и аварийными уставка-

ми и анализировать их изменение. При разработке СД учтено,

что оператор

не в состоянии следить и своевременно оценивать изменения большого ко-

личества технологических параметров. Таким образом, СД призвана решить

проблемы сбора, регистрации и анализа всей доступной в настоящее время

информации о процессе плавки, получаемой перечисленными выше метода-

ми контроля, и выработать управляющие воздействия и практические реко-

мендации оператору, плавильщику для

реализации ручного управления.

Разработанная СД позволяет контролировать следующие основные па-

раметры и режимы:

1) электрические: фазные токи и напряжения I

, I

и U

, U

, расход

электроэнергии W, W

уд

, потребляемую мощность P;

2) тепловые: температуру шлака Т

шл

, температуру и расход охлаждающей

воды Т

охл

и Q

охл

, размер конуса в печи Д

;

3) количественные (массовые): общий расход шихты на плавку, текущий

расход шихты, ток и напряжение на якоре двигателя загрузки, количество

выпускаемого шлака и металла (штейна);

140

4) качественные (контроль периодический): состав шихты С

шх

, состав аг-

ломерата С

агл

, состав шлака С

шл

, состав металла С

ме

, состав штейна С

шт

;

нет

Решение предыдущей задачи

РТП вкл

Чтение информации из ОЗУ

Загрузка идет

Зап

ос опе

ато

ру

Подпрограмма анализа положения

электродов

Подпрограмма расчета общего и

мгновенного расхода шихты

Анализ режима загрузки

Определение температуры шлака

Анализ состояния футеровки

Определение уровней расплавов

Определение преддугового режима

Расчет показателей плавки

Печать результатов на АЦПУ

Сообщение оператору об отклоне-

ниях в работе РТП, рекомендации

и запросы оператору по результа-

там диагностики

Связь с оператором

Решение следующей задачи

Рис. 34 – Блок-схема алгоритма работы системы диагностики процесса плавки