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

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-10

В частности, получили распространение бесконтактные уровнемеры, ис-

пользующие радиометрический и радарный микроволновый принцип контроля

уровня профиля засыпи на колошнике. Перспективной является автоматическая

зондовая сканирующая система DDS-МИСиС, разработанная в Московском ин-

ституте стали и сплавов, позволяющая контролировать распределение железо-

рудных материалов и кокса под уровнем засыпи на работающей доменной печи.

Промышленные образцы

этой системы успешно эксплуатируются на доменных

печах ОАО Северсталь. На ряде доменных печей применяют устройства регист-

рации электрических явлений на стальном кожухе печи, возникновение которых

аргументируется ионной теорией жидких расплавов. Такие устройства позволя-

ют косвенно контролировать уровень расплава в горне печи, ведутся испытания

многоцелевого экспериментального устройства диагностики доменного процес-

са

ТЕГРА с применением термодатчиков, расположенных непосредственно в

горне печи. Устройство позволяет диагностировать нормальный нагрев, похоло-

Количество, химические

и гранулометрические

составы, влажность

шихтовых материалов

Температура, давление и

химический состав колош-

никового газа

Распределение состава газа

и температуры

на колошнике

Распределение состава газа

и температуры в шахте

Температура футеровки

Перепады давления

на высоте печи

Расход и температура

охлаждающей воды

Температура и давление

ду

тья

Расход природного газа

(

инжекти

ру

емого топлива

)

Температура горна

и ле

Количество и химический

состав шлака

Количество, температура и

химический состав ч

на

Уровень и профиль

шихты на колошнике

Расход и влажность дутья.

Со

жание кисло

Рис. 6.3. Основные подсистемы контроля технологических параметров

доменной печи

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-11

дание и разогрев горна, ровный, тугой и быстрый ход печи. На ряде доменных

печей России разработана и внедрена НПО «Черметавтоматика» система кон-

троля диагностики разгара горна («Футеровка»), которая включает в себя специ-

альные термодатчики, устанавливаемые по длине блоков при замене кладки пе-

чи, комплекс средств автоматизации, промышленный компьютер и специальное

алгоритмическое

программное обеспечение. Сегодня полностью автоматизиро-

вана на большинстве доменных печей загрузка шихтовых материалов и управле-

ние работой воздухонагревателями.

В то же время и сегодня недостаточно разработаны системы контроля

распределения газов по радиусу печи, непрерывный контроль состава и физиче-

ских свойств шихтовых материалов, загружаемых в печь, и жидких продуктов

плавки на

выпусках. Так, применяющиеся в основном на отечественных домен-

ных печах ручные методы отбора и подготовки проб доменного сырья не обес-

печивают надлежащую оперативность процесса, низка и надежность систем кон-

троля перепадов статического давления на нескольких участках по высоте до-

менной печи. В настоящее время отсутствуют удовлетворительные методы кон-

троля положения и

формы зоны вязкопластичного состояния материалов. Недос-

таточный уровень контроля важнейших параметров доменной плавки, несо-

мненно, снижает ее эффективность, а разработка соответствующих датчиков яв-

ляется сегодня одной из первоочередных задач.

Следует отметить, что сложность доменного процесса, необходимость

определения оптимальных параметров доменной плавки при изменении условий

ее ведения, возрастающая цена ошибок управления

при управлении тепловым и

газодинамическим режимами – эти и другие факторы определяют потребность в

разработке новых информационных систем. Анализ современного уровня знаний

основных закономерностей доменного процесса, имеющихся технических

средств контроля, существенное расширение возможностей вычислительной

техники и области применения методов математического моделирования пока-

зывают, что наиболее перспективными методами для диагностики состояния

доменной печи

являются, наряду с инструментальными, расчетно-

инструментальные и компьютерные. Именно примеры таких систем мы рас-

смотрим позднее.

Приведем печень основных подсистем РСКУ АИСТОУ.

Подсистема управления шихтоподачей осуществляет:

• автоматический контроль химического состава шихтовых материалов и их

запасов в расходных бункерах бункерной эстакады;

• автоматическое управление процессом порционного дозирования (набор,

хранение и

выгрузка отдельных доз шихтовых материалов по каналам дози-

рования по заданной программе);

• адаптивную динамическую компенсацию контролируемых возмущений при

дозировании шихтовых материалов;

• автоматическое управление формированием порций шихтовых материалов по

заданной программе;

• управление загрузочным устройством;

• контроль уровня и профиля засыпи, скорости опускания шихты на колошни-

ке.

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-12

Подсистема управления дутьевым режимом осуществляет:

• контроль и регулирование основных параметров блока воздухонагревателей;

• контроль давления и расхода холодного дутья;

• регулирование соотношения расходов "природный газ – холодное дутье";

• стабилизацию температуры горячего дутья;

• стабилизацию влажности горячего дутья;

• регулирование давления природного газа;

• контроль содержания кислорода в дутье;

• управление

распределением природного газа по фурмам доменной печи.

Подсистема управления доменным процессом выполняет:

• регулирование давления газа под колошником;

• контроль температуры и состава колошникового газа;

• контроль перепадов статического давления по высоте печи;

• контроль температуры поверхности засыпи;

• контроль состава и температуры газов над (под) уровнем засыпи;

• контроль

системы охлаждения и прогара фурм доменной печи;

• диагностику состояния футеровки печи;

• контроль температуры брони;

• контроль состава, температуры массы чугуна и шлака на выпуске.

Агрегатная подсистема

Основные решаемые функции:

• обработка данных, включая масштабирование;

• синхронизация работы подсистем;

• организация архивов по выбранным параметрам;

• резервирование каналов передачи

данных;

• визуализация накопленной информации;

• обмен информацией с диспетчерским уровнем и подсистемами ниж-

него уровня;

• хранение данных.

Аппаратная база должна быть более мощной, предусматривающей воз-

можность обмена через промышленные и офисные сети с нижним и верхним

уровнем. Обычно используют промышленные компьютеры РС совместимой ар-

хитектуры или интеллектуальные контроллеры.

Диспетчерская подсистема технологического персонала

доменной печи

Решает следующие задачи:

• сбор данных от аппаратуры нижнего уровня;

• оценка технологического состояния доменной печи;

• диагностика режима плавки;

• обнаружение аварийных ситуаций и необходимая сигнализация;

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-13

• ведение технологических архивов и журналов событий;

• визуализация технологического процесса, текущих и архивных дан-

ных, просмотр журналов;

• компьютерная поддержка принятия решений диспетчерского уровня;

• диспетчерское управление.

Диспетчерский уровень образуют несколько (в зависимости от полноты

и сложности решаемых задач) персональных компьютеров, расположенных в

помещении главного щита контроля и управления доменной

печью и образую-

щих автоматизированные рабочие места оперативного персонала доменной пе-

чи. При этом используются, чаще всего, промышленные компьютеры РС, ОС

Windows 95/98/NT/2000, технологии Internet/Intranet.

Рассмотрим основные подсистемы диспетчерского уровня.

Система централизованного контроля хода технологического про-

цесса и состояния оборудования (АРМ газовщика) включает ряд подсистем.

Подсистема отображения технологической информации. Предназна-

чена

для своевременного обеспечения сменного технологического персонала (по

его вызову) оперативной информацией о доменном процессе в удобной для

пользователя форме. В автоматизированной системе интерфейс связи человека

(оператора) с ЭВМ приобретает особое значение. Двоякое назначение этого ин-

терфейса предъявляет к нему требования обеспечения легкого и быстрого вос-

приятия информации человеком, за которым

остается "последнее слово" в при-

нятии решения, а также быстрый и безошибочный ввод человеком информации

в ЭВМ. Задача построения графического интерфейса достаточно сложна. Необ-

ходимо учитывать множество факторов, в частности структуру имеющихся под-

систем, объем и типы собираемой информации, профессиональные навыки и

уровень компьютерной подготовки персонала, сложность решаемых задач и т

.п.

Общение с ЭВМ специалиста-доменщика (мастера, газовщика и т.п.), не

подготовленного специально для работы на ЭВМ, встречают серьезные трудно-

сти. Для этих целей предусматриваются специальные программные средства

общения человека с ЭВМ, не требующие специальных знаний в области про-

граммирования. Поскольку АРМ работает под управлением ОС Windows, то в

основу

пользовательского интерфейса обычно заложены аналогичные диалого-

вые элементы: окна, строковые опускающиеся меню, панели инструментов и т.д.

Кроме этого, а в АРМ имеется встроенная справочная система, для минимизации

ручного ввода служат специальные значения, принимаемые по умолчанию. Дос-

тигнутая в результате эргономичность пользовательского интерфейса облегчает

эксплуатацию АРМ и значительно сокращает этап обучения

персонала. Свойст-

ва любого параметра можно узнать из соответствующего информационного ок-

на, где отображаются название параметра, контролируемая подсистема, точность

измерения и т.д.

Подсистема отработки жидких продуктов плавки. Предназначена

для просмотра и редактирования информации о постановках ковшей и миксеров

под печь, а также информации о выпуске жидких продуктов плавки.

Подсистема

шихтоподачи. Предназначена для просмотра и редактиро-

вания информации о ходе загрузки, работе засыпного устройства, количестве

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-14

подач в смену, системе загрузки, а также информации о расходах железорудных

материалов, кокса и флюсов в подаче и т.п.

Подсистема представления отчетных данных (электронный ра-

порт). Предназначена для формирования, хранения и получения твердой копии

отчетно-технологической информации о работе комплекса доменной печи по за-

ранее согласованным с руководством цеха форме

; вычисления усредненных за

заданные интервалы времени (час, смена, сутки) значений параметров плавки;

формирования и выдачи на экран монитора по запросу сменного технологиче-

ского персонала справочных форм сменно-суточной отчетности о работе печи от

начала смены на текущий момент времени или за предыдущие смены.

Подсистема формирования предупредительных сообщений. Предна-

значена для

обнаружения отклонений важнейших параметров процесса и наибо-

лее ответственных элементов системы охлаждения печи от их нормального со-

стояния и своевременного информирования об этом сменного технологического

персонала в виде соответствующих предупредительных сообщений. Отклонения

контролируемых параметров (например, верхнего и нижнего перепадов давления

по высоте печи, температур периферийных термопар и в газоотводах, перепадов

температуры охлаждающей воды на леточных горновых и верхних холодильни-

ках лещади) от их нормального состояния определяются по выходу их текущих

величин за заданные пределы.

Система диагностики технологического состояния печи (АРМ мас-

тера доменной печи) включает ряд подсистем.

Подсистема оценки и прогноза теплового состояния доменной печи.

Предназначена для оценки текущих и прогнозирования

будущих показателей

производительности печи, температуры чугуна и содержания кремния, удельно-

го расхода и минимально возможного расхода (резерва) кокса, а также диагно-

стики отклонений от нормального режима плавки по нагреву и развитию тепло-

и массообменных процессов. Позволяет рассчитывать корректировку массы кок-

са и флюсующих материалов в подаче при изменении соотношения железоруд-

ных компонентов, состава кокса, параметров комбинированного дутья, химиче-

ского состава чугуна.

Подсистема оценки газодинамического режима и ровности хода до-

менной печи. Система предназначена для стабилизации ровности хода доменной

печи, предотвращения аномальных и критических состояний, оценки и планиро-

вания газодинамического резерва. К числу критериев устойчивости хода домен-

ной печи относятся интенсивность

хода по коксу и критерий газодинамической

устойчивости слоя. Газодинамический резерв контролируется по разности пре-

дельно допустимого и фактического перепада давления газа в шахте. Оценивает-

ся также ход печи (ровность хода печи, развитие канального и периферийного

хода и т.п.).

Подсистема контроля и управления шлаковым режимом. Предназна-

чена для оценки шлакового

режима и вязкопластического состояния шихты и

обеспечивает выполнение следующих функций:

• расчет массы железорудных материалов и кокса в подаче для получения шла-

ка с заданными свойствами (вязкости, текучести, десульфурирующей спо-

собности и т.д.);

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-15

• расчет шихты на заданные показатели;

• оценку газодинамической напряженности работы низа печи.

Подсистема диагностики состояния фурменных очагов доменной пе-

чи. Позволяет для конкретных конструктивных и режимных параметров уст-

ройств ввода дутья, параметров дутьевого режима определять геометрические

размеры фурменного очага, поля температур, состава и скоростей газа, темпера-

тур, траекторий и

скоростей движения кусков кокса, частиц инжектируемого то-

плива.

Подсистема диагностики газораспределением, распределения мате-

риалов на колошнике доменной печи и прогноза температурных полей в

шахте. Подсистема выполняет следующие функции:

• определение структуры столба шихтовых материалов;

• оценку расходов газовых потоков, процессов теплообмена по радиусу в вы-

соте печи;

• оценку распределения шихтовых

материалов по радиусу колошника;

• прогноз температурных полей газа и материалов в шахте с учетом неравно-

мерности распределения материалов и газов.

Подсистема контроля положения и формы зоны вязкопластичного

состояния материалов. Одним из возможных методов косвенного контроля

является метод математического моделирования процессов плавления, основан-

ный на совокупной оценке доступной информации, в

частности, о перепадах

статического давления в этой зоне, распределении материалов и газов на колош-

нике и т.п.

В АРМ мастера предусмотрено широкое использование математических

моделей. Заметим в связи с этим, что анализ в целом состояния вопроса по ре-

ально используемым математическим моделям в практике технологии ведения

доменной плавки показывает: в

настоящее время разрыв между потенциальными

возможностями средств автоматизации и реальными возможностями используе-

мого программного обеспечения огромен. Поэтому первостепенной задачей, по

мнению ведущих отечественных и зарубежных специалистов, является созда-

ние эффективного математического обеспечения решения технологических за-

дач доменной плавки. Основное внимание при этом направлено на решение сле-

дующих задач:

• оценка

, прогноз и регулирование теплового состояния доменной печи с це-

лью уменьшения расхода кокса и получения стабильного качества чугуна по

физическому нагреву и химическому составу;

• диагностика состояния фурменной зоны как основополагающего процесса

газодинамики и газификации углерода кокса, а также обеспечение полноты

горения инжектируемого топлива;

• диагностика состояния зоны плавления, размягчения

как лимитирующей рас-

пределение газов и возможности интенсификации плавки;

• диагностика технологических ситуаций с целью предотвращения аварийных

ситуаций.

Именно на этих вопросах и остановимся более подробно в дальнейшем.

Подсистема "Эксперт". Это экспертная система на базе искусственно-

го интеллекта позволяет решать ряд технологических задач прогнозирования

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-16

расстройств хода печей и возможности принятия в нештатных ситуациях быст-

рых и достоверных решений в условиях неполноты и противоречивости инфор-

мации (см. подробнее далее).

Диспетчерский уровень доменного цеха (АРМ диспетчера цеха)

Решает следующие основные задачи:

• просмотр информации о потребителях чугуна;

• ввод информации о поставках и задержках ковшей;

•

просмотр информации о производстве чугуна (наливе и сливе);

• просмотр информации о движении ковшей, миксеров;

• отображение текущего состояния печей;

• средний анализ шихты за смену;

• текущий анализ окатышей, агломерата, кокса;

• расходы шихтовых материалов;

• показатели работы печей и цеха;

• анализы чугуна и шлака;

• анализ колошникового

газа.

Для аппаратного обеспечения обычно используются компьютеры РС-

совместимой архитектуры, ОС Windows 95/98/NT/2000.

Инженерный уровень

Вырабатывает стратегию управления технологией доменного цеха. При-

меняются компьютеры РС-совместимой архитектуры, ОС Windows

95/98/NT/2000, технологии Internet/Intranet. Инженерный уровень включает ком-

пьютеры инженерного и управленческого персонала доменного цеха и осущест-

вляет:

• предоставление информации со всех доменных печей для

просмотра инже-

нерно-техническим и управленческим персоналом;

• визуализацию, архивирование и документирование технологической инфор-

мации, используемой на инженерном уровне;

• решение комплекса инженерных задач в области стратегии управления до-

менной плавки, в частности анализа возможных режимов плавки при измене-

нии свойств поступающего железорудного сырья и кокса, распределение

имеющихся ресурсов между отдельными

печами и т.п.;

• защиту от несанкционированного доступа к данным.

Подсистема координации и управления информационной системой

Актуальность создания подобной системы обусловлена необходимостью

хранения и управления большим количеством информации, интеграцией ло-

кальной сети доменного цеха в единое информационное пространство комбина-

та, высокой степенью концентрации технических и программных средств ин-

формационных систем. Система обеспечивает, в частности, выдачу оперативных

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-17

сообщений о нарушениях и сбоях, возникающих в процессе работы информаци-

онной системы; ведение информационной базы и накопление данных по сбоям,

отказам и перезапускам систем; формирование и выдачу по запросу персонала

документов, характеризующих качество функционирования системы.

Таким образом, уровень предназначен:

• для создания и ведения базы данных. Включает в себя систему управления

базой данных как отдельных доменных печей, так и всего цеха в целом;

• обеспечения функционирования локальной сети доменного цеха и интегра-

ции ее в корпоративную сеть комбината;

• оценки состояния технических и программных средств информатизации. По-

зволяет получать данные о качестве функционирования программных и тех-

нических видов обеспечения АИСТОУ.

6.3. Пример реализации автоматизированной информационной

системы доменной плавки (на примере ОАО ММК)

Проиллюстрируем идеологию построения современной автоматизиро-

ванной системы на примере печи № 1 доменного цеха ОАО ММК, схема кото-

рой представлена на рис. 6.4.

Распределенная подсистема контроля и локального управления

(РСКУ). Входная информация о работе каждой доменной печи разделена на

блоки

1. Параметры, требующие периодичности опроса 2–5 секунд (критиче-

ские параметры), такие как анализ схода шихтовых материалов, время

срабатывания подач, перепады давления по высоте печи, давление

колошникового газа, горячего дутья, работа ВРШ, дискретные сигна-

лы и т.д.

2. Блок остальных входных данных, автоматически контролируемых

непосредственно на печи: анализ состава колошникового газа,

темпе-

ратуры периферийных термопар, колошникового газа по газоотводам,

влажность, температура, расход и состав горячего дутья, расходы

природного газа и технологического кислорода, расходы кокса и же-

лезорудных материалов и т.п. Периодичность опроса состояния этих

автоматически контролируемых параметров составляет 30–60 секунд.

3. Автоматический или полуавтоматический ввод контролируемых дан-

ных в ПК индустриального исполнения

Pentium 200 рабочего места

газовщика: химический состав железорудного сырья, его механиче-

ская прочность, содержание мелочи; технический анализ кокса, его

прочность; состав жидких продуктов плавки, график выпусков жид-

ких продуктов плавки и т.п. Данные в АСУ «Контроль за поступлени-

ем сырья в доменный цех» поступают из трех источников: по привоз-

ному сырью –

по электронной почте сертификаты с Соколовско-

Сарбаевского ГОКа, по местному сырью – с АСУ «Учет поступления

и движения сырья на складах ЦПАШ» (цех подготовки аглошихты),

по агломерату – с АСУ «Контроль работы аглофабрик». Поступаю-

щая из АСУ «Контроль за поступлением сырья в доменный цех»

Сеть промышленных контроллеров МИК

. . . . . . . .

ПЭВМ для сбора и первичной обработки техно-

логических параметров доменного процесса и

системы заг

ру

зки доменной печи

Рабочее место газовщика (АРМ газовщика)

Мониторинг технологических

параметров (SCADA-система)

Математические модели доменного

процесса (АРМ мастера)

Мониторинг параметров системы

загрузки (SCADA-система)

Система искусственного интеллекта

(экспертная система)

Оптоволоконный кабель

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-18

Сетевой хаб с оптоволокон-

ным трансивером

Сеть Bitbus

LAN Ethernet

Рис. 6.4. Структура автоматизированной информационной системы доменной печи №1 ММК

Глава 6. Принципы построения и реализация информационной системы

6-19

информация о химическом составе и физических свойствах очередной партии

сырья, а также информация о результатах химического анализа чугуна и шлака

обновляется по мере ее поступления.

Уровень РСКУ АИСТОУ оснащен продукцией отечественных произво-

дителей. В частности, на этом уровне применяются отечественные промышлен-

ные контроллеры МИК (разработчики – Институт электронных управляющих

машин, ТОО «Электронмашсистем

» и кафедра автоматики МИФИ, г. Москва).

Они предназначены для построения распределенных информационных систем,

использующих промышленные сети типа BitBus (стандарт фирмы Intel). В со-

став технических средств МИК входят программируемый логический контрол-

лер МИК СМ9107 и широкий набор модулей УСО. Программное обеспечение

МИК построено на основе коммерческой версии пакета MIK$Sys. На верхнем

уровне иерархии

используется классическая для промышленных систем схема

«host» (хозяин)-компьютер, в качестве которого используется персональный

компьютер индустриального исполнения Pentium 233, и множество подчинен-

ных PLC, что обеспечивает на различных уровнях аппаратную и программную

совместимость МИК с другими системами. Опыт эксплуатации контроллеров

MIK$Sys подтверждает их достаточную надежность, удобство их применения и

использования имеющегося для них программного обеспечения

. В качестве PC

для сбора и первичной обработки параметров доменного процесса и системы за-

грузки используется Pentium 233 с оперативной памятью 32 Мбайт и емкостью

жесткого диска 6.4 Гбайт.

Диспетчерский уровень доменной печи

Для реализации диспетчерского уровня на доменных печах №1 впервые

центром АСУ комбината были разработаны и внедрены:

• система управления технологическим процессом

с частичной заменой

вторичных приборов на компьютерную систему мониторинга техно-

логических параметров доменной печи;

• система мониторинга параметров систем загрузки доменных печей.

Главными функциями этих по сути дела SCADA-систем являются ото-

бражение технологического процесса в виде мнемосхем на экране монитора

компьютера, сигнализация об аварийных ситуациях, обеспечение компьютерно-

го общего управления процессом

со стороны оператора-технолога, возможность

создания архивов аварий, событий и поведения переменных процесса во време-

ни (тренды), а также полное или выборочное хранение параметров процесса че-

рез заданные промежутки времени постоянно или по условию и др.

В настоящее время на рынке имеется ряд программных продуктов отече-

ственных и зарубежных фирм,

специализирующихся на разработке универсаль-

ных SCADA-программ. Однако центру АСУ ОАО ММК удалось создать собст-

венную SCADA-систему, в значительно большей степени учитывающую бога-

тый опыт работы технологического персонала доменного цеха и особенности

контроля и управления современной доменной плавкой (рис. 6.5, 6.6). Результа-

том данного подхода стала возможность предоставления информации не только

ходе технологического процесса, но и его истории (тренда), начиная от техно-