Спирин Н.А., Лавров В.В. Информационные системы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-37

с PLC команды управления на различные исполнительные устройства. Все про-

граммируемые контроллеры SIMATIC S7 объединены промышленной сетью

Industrial Ethernet Компоновка верхнего уровня информационной системы тра-

диционна и включает через локальную компьютерную сеть РС Ethernet с прото-

колом TCP/IP и выход через маршрутизатор в корпоративную сеть предприятия.

Применение серверов баз данных для последовательной обработки и об-

мена данными

между подсистемами PLC SIMATIC S7 (сеть Industrial Ethernet) и

РС (сеть Ethernet TCP/IP) позволяет использовать единую базу данных для всех

этих подсистем. В качестве серверов и рабочих станций можно рекомендовать

промышленные компьютеры SIMATIC РС. В этих компьютерах применяются:

• материнская плата, разработанная и выпущенная фирмой SIEMENS;

• классическая компьютерная технология, использование микропроцессоров

Intel;

• промышленное исполнение компьютера (фильтрация охлаждающего воздуха,

герметизация корпуса, конструкция, повышающая удобства обслуживания, и

т.п.);

• парольная защита от несанкционированного доступа и ряд других решений,

что позволяет эксплуатировать компьютеры в тяжелых промышленных усло-

виях.

Заметим, что современные информационные системы, созданные на базе

аппаратных и программных средств SIMATIC, успешно функционируют на ряде

металлургических предприятий России, в частности на конвейерных

обжиговых

машинах Лебединского ГОКа, в конвертерных цехах ОАО ММК и ЗАПСИБа, в

доменном цехе ЗАПСИБ др.

5.4. Контрольные вопросы

1. На каких принципах строится архитектура современных информационных

систем технологических процессов?

2. Какие аппаратно-программные средства используют для обеспечения нижне-

го уровня автоматизации?

3. Чем отличаются промышленные компьютеры (PC) от промышленных про-

граммируемых контроллеров (PLC)? Чем вызвана необходимость использо-

вания PC в информационных системах технологических процессов?

4. Какие коммуникационные средства используются на верхнем

уровне автома-

тизации? Для обеспечения решения каких задач их используют? Чем обу-

словлен выбор тех или иных средств?

5. Для каких целей используют промышленные сети? В чем заключаются их

преимущества перед традиционными средствами передачи данных? На какие

уровни они подразделяются?

6. Какие функции выполняют физические интерфейсы соединений? Приведите

примеры стандартных физических

интерфейсов и дайте их краткую характе-

ристику.

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-1

ГЛАВА 6. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ

ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ (НА ПРИМЕРЕ

ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА) 6-2

6.1. Доменная печь как управляемая технологическая система 6-2

6.2. Принципы построения современной автоматизированной

информационной системы доменной плавки 6-5

6.3. Пример реализации автоматизированной

информационной системы доменной плавки (на примере

ОАО ММК) 6-17

6.4. Распределенная система баз данных в аглодоменном

производстве 6-25

6.4.1. Особенности разработки системы баз данных

6-25

6.4.2. Особенности функционирования системы баз

данных 6-29

6.4.3. Характеристика аппаратно-программных средств

вычислительного центра доменного цеха ОАО ММК 6-32

6.5. Контрольные вопросы 6-37

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-2

Глава 6. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ

ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ (на примере доменного

производства)

6.1. Доменная печь как управляемая технологическая система

В доменной печи в качестве шихтовых материалов используют агломе-

рат, окатыши, металлодобавки, кокс, флюсы (обычно известняк), которые загру-

жаются сверху, через колошник печи. Загруженные материалы опускаются свер-

ху вниз, а газы, образующиеся

в горне, поднимаются снизу вверх. Высокотемпе-

ратурная, восстановительная атмосфера создается в печи в результате подачи

высоко нагретого, обогащенного кислородом дутья и инжектируемого топлива,

обычно природного газа или пылеугольного топлива, через фурмы в нижнюю

часть (горн) печи. В горне печи происходит горение кокса и инжектируемого то-

плива до оксида углерода и водорода

. В процессе плавки происходит восстанов-

ление различных элементов, в первую очередь оксидов железа, а кислород окси-

дов переходит в газ в виде СО, СО

и Н

О. В результате доменного процесса по-

лучают продукты плавки – чугун, шлак, колошниковый (доменный) газ и ко-

лошниковую пыль.

Современная доменная печь объемом 5000 м

в сутки выдает 12 тыс.

тонн чугуна, 4 тыс. тонн шлака, 20 млн. м

колошникового газа. Для производст-

ва этого количества чугуна в печь надо подать 23 тыс. тонн железорудного сы-

рья, кокса, 14 млн. м

горячего дутья и 1,5 млн. м

природного газа. Лучшие оте-

чественные доменные печи, оснащенные современными системами автоматиза-

ции, характеризуются расходом кокса примерно 400–410 кг/т чугуна при мини-

мально теоретически допустимом около 300 кг/т чугуна и удельной производи-

тельностью по чугуну 2,5–2,7 т/(м

сут.). Крупные же доменные цехи заводов

имеют в своем составе до 10 доменных печей. Естественно, что такая огромная

концентрация мощности в одном технологическом агрегате и в доменном цехе в

целом, не имеющая аналогов не только в металлургии, но и других областях

техники, требует научно обоснованных, безошибочных методов управления до-

менным процессом.

Доменная

плавка относится к числу непрерывных металлургических

процессов, в основу которых положен принцип организованного противотока,

что обуславливает высокую экономичность протекания тепловых и массообмен-

ных процессов. Так, тепловой коэффициент полезного действия доменной печи

достигает 90–95 %, что значительно выше этого показателя на других металлур-

гических печах. Но для этого необходимо организовать хороший контакт газов

шихтовыми материалами, т.е. необходимо обеспечить рациональное распреде-

ление газового потока, что является достаточно сложной задачей. В то же время

доменное производство остается и самым энергоемким, на долю которого при-

ходится около 50 % топлива, используемого черной металлургией, а энергетиче-

ские затраты на выплавку чугуна остаются еще высокими и превосходят теоре-

тические

значения. При этом основная доля энергетических затрат приходится

на дорогостоящий и дефицитный кокс, на экономию которого и направлены ос-

новные мероприятия по совершенствованию технологии плавки. Сегодня уро-

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-3

вень технологии доменной плавки, в первую очередь, определяется именно рас-

ходом кокса. Особенность доменного процесса заключатся в том, что топливо в

нем выполняет различные функции: как источник тепла; как химический реа-

гент-восстановитель; кокс необходим и как механическая насадка в нижней час-

ти для фильтрации расплава. Таким образом, наличие кокса в

шихте обуславли-

вает возможность фильтрации газов и расплава, прямого восстановления, тепло-

и массообмена. Основная часть кокса (70–80%) сгорает у фурм, остальная по-

требляется в процессах прямого восстановления и науглероживания чугуна. Эти

разные, зачастую противоречивые, функции кокса приходится учитывать при

управлении современной доменной плавкой.

Автоматизированный технологический комплекс доменной печи как

объект управления

характеризуется следующими основными признаками:

• большим объемом контролируемых переменных;

• отсутствием возможности непосредственного контроля отдельных

параметров, т.е. низкой прозрачностью процесса выплавки чугуна;

• недостаточной точностью и представительностью результатов кон-

троля параметров, определяющих ход доменной плавки;

• существенным запаздыванием информации о составе продуктов

плавки;

• наличием случайных помех различной природы и

характера, сни-

жающих качество информации.

При анализе работы доменной печи ее следует рассматривать как управ-

ляемую технологическую систему. Упрощенно комплекс доменной печи может

быть представлен схемой, приведенной на рис. 6.1. Заметим, что при анализе

любого технологического процесса можно выделить три основные группы пере-

менных:

• режимные параметры, отражающие средние значения контролируемых

вход-

ных воздействий при установившемся состоянии технологического процесса

(V,U);

• средние значения количественных и качественных показателей технологиче-

ского процесса (Y);

• возмущения, которые условно можно разделить на внешние, приложенные к

входам и выходам процесса (Z

v,u

, Z

), и внутренние, приложенные к состоя-

нию процесса (Z

Показателями (целевой функцией, критериями) (Ц) технологической эф-

фективности работы печи, технологического персонала и информационной сис-

темы являются удельный расход кокса, производительность печи, выход конди-

ционного чугуна по содержанию серы в чугуне, температура жидких продуктов

плавки в соответствии с требованиями последующего сталеплавильного произ-

водства. При этом должны быть выполнены ограничения (О)

на технологию до-

менной плавки, т.е. обеспечена минимальная вероятность попадания технологии

состояния печи в так называемые критические области (критические, аварийные

режимы работы).

Основной задачей при управлении доменным процессом является стаби-

лизация теплового состояния печи. Главными причинами колебаний теплового

состояния являются изменения качества шихты, отклонения температуры и со-

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-4

става дутья от заданных значений (Z

v,u

), нарушения в распределении материалов

и газов по сечению печи (Z

). Для обеспечения стабилизации теплового режима

требуется обеспечивать постоянный баланс основных составляющих режима

плавки: нагрев материалов в печи, дренажные свойства шихтовых материалов;

положение границ и формы зон вязкопластических материалов и плавления про-

цессов в заплечиках и в фурменной зоне.

Переходные процессы, связанные с действием возмущений, приводят к

изменению теплового состояния процесса

и, следовательно, к изменению соста-

ва продуктов плавки. При этом доменная печь как объект управления обладает

большой инерционностью по отдельным каналам воздействий (постоянная вре-

мени достигает 2–4 часа) и запаздыванием (время запаздывания объекта 6–7 ча-

сов). Так при изменении состава шихты переходный процесс длится до 15–16

часов. Указанные обстоятельства, безусловно, значительно усложняют процесс

управления

. Компенсация колебаний химического состава чугуна осуществляет-

ся технологами в основном за счет изменения массы кокса в подачу или измене-

ния дутьевых параметров, распределения материалов и газов на колошнике. Ве-

личина управляющих воздействий определяется статическими и динамическими

Технологический

агрегат

Системы

подготовки

шихты,

комбини-

рованного

дутья

Система

отработки

продуктов

плавки

Система сбора информации

V,U

Контур управления

Ц А О

Рис. 6.1. Доменная печь как управляемая технологическая система: V

– отчетные

данные о параметрах и показателях работы доменной печи; V – входные воз-

действия; U – управляющие воздействия; Y – выходные показатели процесса;

– неконтролируемые изменения внутренних характеристик процесса; Z

V,U

–

неконтролируемые изменения входных и управляющих воздействий;Z

– потери

чугуна со скрапом и шлаком, вынос колошниковой пыли; Ц – целевая функция

управления; А – алгоритм управления; О – ограничения

Управляемая технологическая система

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-5

характеристиками процесса. Эти характеристики являются нелинейными и из-

меняются во времени при колебаниях условий плавки, требуя соответствующего

изменения и величины управляющих воздействий.

Современная доменная печь является организованной управляемой ин-

терактивной системой (см. рис. 6.1). Состояние этой системы определяется за-

кономерностями комплекса физических процессов, протекающих в доменной

печи, особенностями технологии, зависящей от

конкретных топливно-сырьевых

условий и оборудования доменной печи, включающей системы подготовки ших-

ты, комбинированного дутья, систему отработки продуктов плавки, и принятым

способом управления.

В связи с этим при оценке эффективности доменной плавки приходится

анализировать не только процесс выплавки чугуна в доменной печи с его ком-

плексом физических закономерностей, но и организованную

функциональную

систему с системами сбора информации, управления в контуре обратной связи.

При этом под системой управления понимаются как используемые технические

средства контроля и управления с присущими им метрологическими особенно-

стями, так и участвующие в управлении технологи (лица, принимающие реше-

ния), целенаправленные действия которых обеспечивают управление доменным

процессом.

Конечной целью разработок

информационных систем и систем управле-

ния комплексом доменных печей (цехом) является создание системы управления

доменным производством, которая обеспечивает нормальную работу доменного

цеха в целом при минимальной себестоимости продукции с учетом ограничений,

обусловленных требованиями технологии и возможностями оборудования.

Прежде чем познакомиться с принципами построения современной ав-

томатизированной информационной системы доменного производства, рассмот

рим обобщенную схему автоматизированной информационной системы.

6.2. Принципы построения современной автоматизированной

информационной системы доменной плавки

В настоящее время в промышленно развитых станах все доменные печи

в той или иной мере оборудованы АСУ ТП. Функциональные возможности этих

АСУ ТП варьируются от чисто информационных до прямого управления про-

цессом. Архитектура автоматизированных систем

, как правило, иерархическая с

несколькими уровнями управления.

Одной из первых доменных печей, оборудованных многоуровневой рас-

пределенной АСУ ТП, является доменная печи № 6 завода фирмы "Кавасаки

сэйтэцу" в Тибе, Япония. Первая очередь этой АСУ ТП вступила в строй еще в

1974 году.

При ее создании была использована концепция четырехуровневого по-

строения автоматизированной

системы, которая в самых общих чертах сохраня-

ется и в настоящее время.

• Первый (нижний) уровень управления – датчики, преобразователи, аппара-

тура ручного управления.

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-6

• Второй уровень (уровень локального управления), включающий ручное

дистанционное управление, а также дублирующее цифровое.

• Третий уровень (уровень цифрового локального управления), включающий

совокупность микроЭВМ и программно-логических регуляторов, позво-

ляющий действовать в полуавтоматическом режиме, где оператор только

дополнительно изменяет задания.

• Четвертый (верхний) уровень включает сбор, контроль и хранение ин-

формации

с помощью управляющей вычислительной машины (УВМ).

На верхнем уровне ЭВМ используются для решения планово-

производительных и экономических задач коксохимического, агломерационного

и доменного цехов. Средний – две мини-ЭВМ, выполняющие общие задачи

управления технологическим процессом: обработка информации, протоколиро-

вание, статистический анализ, диагностика и оптимизация процесса. На нижнем

уровне используются микроЭВМ (микропроцессоры) и

программируемые кон-

троллеры для сбора и первичной обработки информации, для прямого управле-

ния локальным участком или процессом.

Одна из первых в бывшем СССР АСУ ТП была разработана и внедрена в

1974 г. на доменной печи № 9 металлургического комбината "Криворожсталь".

В дальнейшем АСУ ТП создавались на ряде отечественных доменных печей: №6

НЛМК (1978

г.), №2 КМК (1984 г.), №3 ЗСМК (1988 г.), №3 "Азовсталь", №5

ЧерМК (1986 г.) и др. В последующий период продолжались дальнейшая модер-

низация и совершенствование этих систем.

АСУТП крупнейшей в мире доменной печи № 5 ЧерМК, объемом 5500м

является трехуровневой иерархической распределенной системой.

Нижний уровень автоматизации включает средства и системы измере-

ния, контроля, стабилизации и управления технологическими параметрами.

Средний – подсистемы автоматического контроля и регулирования от-

дельными технологическими процессами и агрегатами.

Верхний – ряд АСУ и подсистем комплексного контроля и управления

технологическим процессом доменной плавки.

Все новые и реконструируемые мощные

отечественные и зарубежные

печи оснащаются современными многоуровневыми распределенными АСУ ТП.

При автоматизации доменных печей используется понятие рационального объе-

ма автоматизации. Под рациональным объемом автоматизации понимается

объем средств и систем автоматического контроля и управления процессом, ко-

торый соответствует современному состоянию развития технических средств и

математического обеспечения и удовлетворяет требованиям технологии произ-

водства основной продукции. Сегодня численное значение этого показателя

приближается на лучших доменных печах России к 80–90 %, что свидетельству-

ет о высоком уровне автоматизации доменной плавки.

Рациональный объем автоматизации доменных печей включает также

три взаимосвязанных функциональных уровня:

1. Нижний уровень – средства автоматического контроля и диагностики

основных входных, технологических и выходных параметров домен-

ной

плавки.

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-7

2. Средний уровень – локальные системы автоматического регулирова-

ния, стабилизации и диагностики основных технологических пара-

метров.

3. Верхний уровень – распределенные автоматизированные подсистемы

управления шихтовкой и дутьем, оценки и управления доменным

процессом.

Сегодня АСУ ТП доменных печей представляют собой сложные систе-

мы, различающиеся по структуре, назначению, целям и техническим особенно-

стям реализации. АСУ

ТП имеют иерархическую, многоуровневую, открытую,

распределенную структуру. Каждый уровень отличается своими функциями, ха-

рактеристиками и используемыми программно-аппаратными средствами. Разви-

тие и совершенствование информационных функций АСУ ТП привело к созда-

нию по сути нового класса информационных систем – автоматизированным

информационным системам технического обслуживания и управления (АИ-

СТОУ). По своей сути и

решаемым задачам сегодня АСУ ТП доменной печи

можно отнести именно к этому классу, т.к. помимо традиционных информаци-

онных функций АСУ ТП сегодня существенная роль в силу специфики домен-

ной плавки отводится и следующим задачам:

• обнаружение аварийных ситуаций и выдача необходимой сигнализа-

ции;

• диагностика оборудования, электронная архивация данных

о состоя-

нии оборудования, ведение архивов технологической информации,

журналов событий;

• обеспечение удобного доступа персонала к оперативной и архивной

информации, создание и документирование суточных и других доку-

ментов.

АИСТОУ обычно реализуется с использованием технологии открытых

систем реального времени. В ней используют стандартные сетевые средства свя-

зи; желательно обеспечение программной совместимости с

наиболее распро-

страненными компьютерными платформами; предусмотрены значительные ре-

сурсы в размерах буферов для хранения данных, имеются возможности расши-

рения области применения пакетов, используемых для подключения новых под-

систем и прикладных программ.

Архитектура АИСТОУ

АИСТОУ включает следующие основные подсистемы (блоки) (рис. 6.2):

• распределенная подсистема контроля, сигнализации и локального

управления (РСКУ

);

• агрегатная подсистема;

• диспетчерская подсистема технологического персонала доменной пе-

чи;

• диспетчерская подсистема доменного цеха;

• инженерная подсистема;

• подсистема координации и управления информационной системой.

В корпоративную

сеть комбината

Инженерная

подсистема

Компьютеры

инженерного и

управленческо-

го персонала

Операторские

станции"

Диспетчерская

подсистема

Fieldbus

Рис. 6.2. Cтруктурная схема автоматизированной информационной

системы технического обсл

живания и

авления доменного

еха

Сервер БД

доменной печи

Сервер

БД цеха

Коммуникаци-

онный сервер

Сервер

удаленного

доступа

SCADA отображе-

ния технологиче-

ской информации

SCADA

мониторинга

загрузки

АРМ

газовщика

АРМ

мастера

Экспертная

система

"Интеллект

доменщика"

Подсистема

координации и

управления

ИС

Интеллектуальные кон-

троллеры, РС (промыш-

ленные контроллеры)

Агрегатная подсистема

Ethernet TCP/IP

Fieldbus

. . .

ИМ

ИД

ИМ

. . .

PLC (программируемые

логические контроллеры)

Распределенная подсистема контроля, сигнализации и управления

. . .

ИД

Диспетчерская подсистема технологического персонала

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-8

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-9

Дадим краткую характеристику функций, выполняемых этими отдель-

ными подсистемами.

Распределенная подсистема сигнализации, контроля и локального

управления (РСКУ)

РСКУ является самым нижним уровнем АИСТОУ. Основные решаемые

функции:

• сбор данных от рассредоточенных по доменной печи датчиков;

• предварительная обработка собранных данных;

• выработка и реализация ряда управляющих сигналов на основании анализа

данных, получаемых от датчиков (автоматическое регулирование отдельных

параметров);

• осуществление ручного управления;

• предоставление собираемых данных на диспетчерский уровень АИСТОУ.

РСКУ формируется из датчиков, преобразователей, исполнительных ме-

ханизмов, регулирующих органов и связанных с ними контроллеров. Поскольку

перечисленные средства должны обеспечивать возможность построения локаль-

ных контуров управления, данный уровень должен работать

в реальном време-

ни. Время реакции систем, используемых в доменных печах, на этом уровне не

должно превышать нескольких десятков миллисекунд. Огромные размеры до-

менной печи, повышенные значения температур, загазованность, резкие перепа-

ды температуры окружающей среды, высокий уровень вибрации и другие,

предъявляют особые требования надежности средств этого уровня. При этом не-

обходимо

обеспечение возможности работы контроллеров в автономном режиме

в критических местах при отказе сети. Надежность оборудования, способного

работать в тяжелых условиях эксплуатации, оценивается временем наработки на

отказ, превышающим 50000 часов (свыше 5 лет) в непрерывном круглосуточном

режиме эксплуатации.

Обобщенная структурная РСКУ изображена на рис. 6.2. Основные функ-

ции подсистемы реализованы на основе контроллеров.

Опыт

работы лучших отечественных и зарубежных мощных доменных

печей свидетельствует о том, что для выплавки качественного чугуна с мини-

мальными затратами необходимо контролировать более 1,5 тыс. характеристик

входных и выходных параметров плавки, технологических параметров самого

доменного процесса и работы оборудования печи, для чего используется более

3000 единиц аппаратуры. Основные подсистемы контроля технологических па

раметров представлены на рис. 6.3. Большое количество контролируемых пара-

метров требует свертки информации в обобщенные показатели входа, выхода и

состояния доменного процесса.

Для контроля ряда технологических параметров (температур, давления,

расходов газовых сред и т.п.) широко используется типовая, стандартная аппара-

тура отечественного и импортного производства. За последнее десятилетие в

отечественном и

зарубежном доменном производстве опробовано и достаточно

большое количество специальных средств измерения технологических парамет-

ров на базе классических и новых методов, не применявшихся ранее.