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

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 8. Экспертные системы в доменном производстве

8-25

Рис. 8.8. Тренд параметров при тугом ходе доменной печи

8.3. Общая характеристика ЭС «Интеллект доменщика»

Учитывая крупные достижения в последнее время в области искусствен-

ного интеллекта в решении задач диагностики и прогнозирования, с одной сто-

роны, и появление мощных систем реального времени, с другой, появилась воз-

можность создания по сути дела автоматизированной системы управления до-

менным процессом нового поколения на базе экспертных систем.

В общем

случае такая система должна иметь «навыки суждений» о ходе

доменной печи по различным признакам, правильно анализировать их и свое-

Глава 8. Экспертные системы в доменном производстве

8-26

временно предупреждать вероятные отклонения от нормального режима, приме-

няя различные приемы воздействия на ход доменной плавки.

Предварительно отметим основные группы параметров, характеризую-

щих ход доменной печи и используемых в ЭС:

• химический состав чугуна и шлака, температура чугуна;

• информация с технических средств контроля хода доменной плавки;

• состояние фурменных зон

;

• состояние горна доменной печи и, в частности, уровень расплава.

Основные виды расстройств доменной печи, которые система диагно-

стирует на базе искусственного интеллекта:

• периферийный ход печи;

• осевой ход печи;

• канальный ход печи;

• перекос уровня засыпи;

• тугой ход печи с дальнейшим развитием верхнего или нижнего под-

висания;

• горячий ход печи;

• холодный ход печи;

• аварийные ситуации (загромождение горна, образование настылей и

т.п.).

Кроме того, экспертная система непрерывно определяет состояние ров-

ного хода печи и заданного нагрева и прогнозирует их развитие или нарушение.

В процессе экспертизы хода доменной плавки также выявляются факто-

ры, являющиеся причиной

нарушений хода доменной плавки.

К ним относятся:

• изменение свойств шихтовых материалов (качество железорудных

материалов, содержание мелочи в шихте, прочность кокса);

• изменение параметров дутьевого режима (расход дутья, температура

и влажность);

• изменение режимов загрузки (система загрузки, уровень засыпи);

• изменение вязкости шлака;

• оптимальность рудной нагрузки;

• изменение параметров

комбинированного дутья (расход инжектируе-

мого топлива (природного газа), технологического кислорода на обо-

гащение дутья);

• состояние горна (уровень жидких продуктов плавки).

Основные способы воздействия на ход доменной плавки с целью устра-

нения возникающих отклонений сводятся к следующему:

• изменение рудной нагрузки (в том числе загрузка в печь дополни-

тельных скипов кокса

и холостых подач);

• изменение режима загрузки материалов (система загрузки и уровень

засыпи);

• изменение дутьевых параметров (расход, температура и влажность

дутья, расход природного газа и технологического кислорода);

• изменение в подачу масс основных и кислых добавок;

Глава 8. Экспертные системы в доменном производстве

8-27

• изменение давления колошникового газа;

• изменение количества и состава шлака;

• искусственные (принудительные) осадки шихты.

Управляющие воздействия реализуются обычно путем выдачи рекомен-

даций технологическому персоналу на их изменение.

Функциональная структура экспертной системы представлена на рис. 8.9

и включает следующие подсистемы.

Контролируемые параметры

Модуль сбора информации

Модуль обработки входной информации

Подсистема

отображения информации

Архивный

модуль

Модуль

развития и кор-

ректировки базы

знаний

Модуль

вспомогательных

расчетов

ТЕХНОЛОГ

(ОПЕРАТОР)

Экспертная подсистема

диагностики хода

доменной печи

Экспертная подсистема

диагностики теплового

состояния доменной печи

Экспертная подсистема

причин расстройств домен-

ной печи

Экспертная подсистема

причин нарушений теплово-

го режима

доменной печи

Экспертная подсистема

формирования рекоменда-

ций по управлению домен-

ной печью

Рис. 8.9. Функциональная структура экспертной системы

Глава 8. Экспертные системы в доменном производстве

8-28

1. Модуль сбора информации о параметрах доменной плавки. Этот мо-

дуль считывает данные, поступающие в режиме реального времени,

генерируемые как датчиками технологических параметров, так и вво-

димые вручную технологическим персоналом доменной печи. Цикл

считывания сигналов датчиков составляет 5–30 секунд.

2. Модуль обработки входной информации. Производит оценку считы-

ваемых значений параметров (сглаживание, интерполяцию

) и выделе-

ние характерных изменений параметров на временном интервале 8 ча-

сов по специальным математическим процедурам.

3. Экспертная подсистема диагностики хода доменной печи. Представ-

ляет программный модуль, предназначенный для раннего обнаружения

намечающихся расстройств доменной печи (канального хода, перифе-

рийного хода, тугого хода с дальнейшим прогнозом места подвисания

шихты, горячего и холодного

хода). Экспертная система обеспечивает

возможность идентификации ровного хода печи и диагностирует его

развитие или нарушение. Экспертная система выдает в количествен-

ной форме вероятность появления и развития того или иного вида рас-

стройств хода доменной печи.

4. Экспертная подсистема диагностики теплового состояния доменной

печи. Представляет программный продукт, обеспечивающий непре-

рывную диагностику теплового

состояния доменной печи по показани-

ям технических средств контроля. Она выдает с учетом хода, опреде-

ляемого системой по п.3, количественные данные вероятности того

или иного теплового состояния печи (похолодания, разогрева и задан-

ного нагрева печи).

5. Экспертная подсистема причин расстройств хода доменной печи.

Представляет собой программное средство, предназначенное для ин-

формирования технологического персонала о причинах, вызвавших

отклонение от нормального хода печи.

6. Экспертная подсистема причин нарушений теплового режима домен-

ной печи. Представляет собой программное средство для определения

факторов, вызывающих нарушение теплового режима доменной плав-

ки.

7. Модуль вспомогательных расчетов - является программным модулем

и предназначен для произведения расчетов, необходимых технологи-

ческому

персоналу при управлении доменным производством. В со-

став этого модуля входят, в частности, следующие программы:

• проверочный расчет шихты;

• расчет задувочной шихты после стоянки печи различной продолжи-

тельности;

• расчет теоретической температуры горения;

• оперативный расчет расходов технологического кислорода, естест-

венного и обогащенного дутья и др.

8. Экспертная подсистема

формирования рекомендаций по управляю-

щим воздействиям предназначен для выдачи рекомендаций техноло-

гическому персоналу по применению одного из нескольких способов

Глава 8. Экспертные системы в доменном производстве

8-29

воздействия на ход доменной печи в случае обнаружения возникающе-

го отклонения от нормального хода или наметившегося отклонения те-

плового состояния печи от заданного. При этом предусмотрена воз-

можность регулирования теплового режима доменной печи как снизу

(температура и влажность, расход природного газа и кислорода) при

кратковременном (до 8 часов) нарушении, так и

сверху (рудная нагруз-

ка, режим загрузки) при длительных (более 8 часов и до нескольких

суток) прогнозируемых отклонениях от заданного значения содержа-

ния кремния в чугуне.

9. Архивный модуль представляет собой программное средство, обеспе-

чивающее хранение непрерывных реализаций трендов параметров со-

стояния, основных контролируемых параметров, расчетных и фактиче-

ских значений управляющих воздействий. Этот

модуль также сохраня-

ет результаты работы подсистем хода и теплового состояния домен-

ной печи.

10. Модуль развития и корректировки базы знаний. Является программ-

ным модулем и предназначен:

• для включения новых порождающих правил;

• для установки и корректировки коэффициентов уверенности для

порождающих правил;

• для тестирования базы знаний на контрольных

сценариях развития

расстройств печи.

11. Подсистема отображения информации. Модуль предназначен для

представления технологическому персоналу необходимой информации

о ходе доменной плавки. При этом поддерживается два режима:

• автоматический (постоянный вывод информации на монитор ком-

пьютера);

• диалоговый – по запросу пользователя.

Система отображения обеспечивает:

• текущее значение вероятностей появления и развития того или

ино-

го хода доменной печи и ее теплового состояния;

• графическое представление текущей тенденции развития вероятно-

стей того или иного хода печи за последние 24 часа;

• необходимые разъяснения по заключениям экспертных систем по

запросу технологического персонала;

• вывод на экран монитора экстренных сообщений (перекос уровня

засыпи, отклонение теоретической температуры горения

от задан-

ной, неисправность датчиков, прекращение поступления данных в

систему и т.п.);

• графическое представление изменения теоретической температуры

горения;

• графическое отображение газодинамических характеристик столба

шихты (текущих и предельных).

Глава 8. Экспертные системы в доменном производстве

8-30

8.4. Обработка входной информации

В основу алгоритмов обработки входной информации положен подход,

при котором сигнал описывается:

• диапазоном его изменения (допустимое значение, больше или меньше

допустимого значения);

• тенденцией изменения сигнала (увеличивается, уменьшается, остается

неизменным, низкочастотные колебания);

• амплитудой высокочастотных колебаний (равна установленному зна-

чению, больше установленного значения).

Считывание информации с датчиков производится дискретно

с периодом

∆Т, определяемым, с одной стороны, временем обработки всех датчиков, а с

другой – из условия ∆Т<1/2F, где F – низкочастотная составляющая полезного

сигнала.

Входная информация разделена на специфические блоки.

1. Блок задач быстрых входных данных. В этот блок включены парамет-

ры, требующие периодичности опроса состояния 5 секунд (критические пара-

метры), такие

как верхние пики давления колошникового газа, анализ схода

шихтовых материалов, время срабатывания подач, перепады давления по высоте

печи, давление колошникового газа, горячего дутья, работа ВРШ, дискретные

сигналы и т.д.

2. Блок задач остальных входных данных, автоматически контролируе-

мых непосредственно на печи: анализ состава колошникового газа, температуры

периферийных термопар, колошникового газа

по газоотводам, влажность, тем-

пература, расход и состав горячего дутья, расходы природного газа и технологи-

ческого кислорода, расходы кокса и железорудных материалов и т.п. Периодич-

ность опроса состояния этих остальных автоматически контролируемых пара-

метров составляет 30 секунд.

3. Автоматический или полуавтоматический ввод контролируемых дан-

ных: химический состав железорудного сырья, его механическая

прочность, со-

держание мелочи; технический анализ кокса, его прочность; состав жидких про-

дуктов плавки. Поступающая из отдела сырья и топлива информация о химиче-

ском составе и физических свойствах очередной партии сырья обновляется по

мере поступления. При этом производится предварительная обработка инфор-

мации, слежение за прохождением партии сырья и передача информации о

со-

ставе сырья в компьютер экспертной системы, когда данная партия сырья пода-

ется на колошник доменной печи. Поступающая из химической лаборатории до-

менного цеха информация о результатах химического анализа чугуна и шлака

становится известной примерно через 2 часа после очередного выпуска. В экс-

пертную систему передается также оперативная информация о содержании

кремния в чугуне и основности шлака на выпусках по оценке мастера печи.

4. Блок информации о ходе доменного процесса по оценке технолога-

доменщика. К ней, в первую очередь, относится та ее часть, которая в настоящее

время не контролируется автоматически, но несет большую информационную

нагрузку о развитии процессов в доменной печи. К

этой информации относятся

следующие данные:

Глава 8. Экспертные системы в доменном производстве

8-31

• состояние фурменных зон, оцениваемое на основании визуального

контроля: яркость и неравномерность свечения фурменной зоны, циркуляция

кокса перед фурмами и т.п.;

• состояние горна доменной печи;

• оценка внешнего вида чугуна и шлака в жидком и твердом состояни-

ях.

5. Блок определения уровня расплава в горне и характера выпусков чугу-

на и шлака. Информация определяется на основании данных начала и конца вы-

пуска, времени срабатывания подач, массы выпуска чугуна и визуального на-

блюдения за ходом отработки жидких продуктов плавки.

Информация блоков 4 и 5: данные визуального контроля работы фур-

менной зоны, программа системы загрузки, начала и конца отработки жидких

продуктов плавки и т

.п. обновляются по мере поступления и ввода информации.

Обновление выходной информации на экране монитора (результат диаг-

ностирования состояния) происходит с периодичностью 5 минут, а при поступ-

лении экстренных сообщений – сразу. В процессе обработки параметров домен-

ной плавки возникает необходимость:

выделения различных характеристик их изменений: увеличение,

уменьшение, наличие колебаний, наличие положительных

и отрица-

тельных пиков на определенном отрезке времени;

•

• фильтрации, сглаживания, интерполяции и экстраполяции.

Для автоматических датчиков в основном производится периодическое

считывание сигналов, их предварительная обработка по различным алгоритмам,

а также запоминание оценок параметров обрабатываемых сигналов за

5-минутный интервал времени.

Алгоритмы сглаживания технологической информации

Первичная обработка данных контроля и

показаний измерительных при-

боров включает процедуру экспоненциального сглаживания первого или второго

порядка, фильтрацию методом медианы по 3–5 точкам.

Рассмотрим основные математические процедуры, обеспечивающие ре-

шение указанных задач при обработке информации о состоянии технологическо-

го агрегата.

Алгоритм сглаживания среднего. Алгоритм сглаживания среднего

представляется в виде

∑

−−=

1Mij

)j(Z

)i(*Z

, (8.1)

где Ζ

(i) – сглаженное значение контролируемой переменной Ζ(i) для i-го мо-

мента времени;

М – интервал сглаживания («конечная память), выраженная в числе точек.

Величина М может выбираться из условия Μ < Μ

min

, где Μ

min

–

минимальная длительность постоянного уровня полезного сигнала. Такой выбор

оправдан с точки зрения получения в конце переходного процесса практически

точного отслеживания любого ступенчатого изменения полезного сигнала.

Глава 8. Экспертные системы в доменном производстве

8-32

Алгоритм экспоненциального сглаживания первого порядка. Алго-

ритм экспоненциального сглаживания первого порядка имеет вид

(i) =Ζ

(i-1)+α[Ζ(i) - Ζ

(i-1)]

или

(i) = (1- α)Ζ

(i-1) +αΖ(i). (8.2)

Параметр сглаживания α выбирается так, чтобы длительность переход-

ного режима была менее М

min

, т.е. α= 2/(М+1), M<=Μ

min

где М – интервал сглаживания («конечная память»), выраженная в числе то-

чек;

i – порядковый номер цикла (интервала) считывания;

(i) – сглаженное значение сигнала на i-м считывании;

Z(i) – фактически считанное значение сигнала на i-м считывании.

Как видно из выражения (8.2), экспоненциальное сглаживание не про-

пускает ни высокочастотную составляющую, ни отдельные кратковременные

(меньше цикла считывания) импульсы считываемого сигнала.

Алгоритм релейного экспоненциального сглаживания. Алгоритм ре-

лейного экспоненциального сглаживания имеет вид

Z*( i ) = Z*(i-1) + αϕ[Z( i )-Z(i-1) ]= Z(i-1) + αϕ(X), (8.3)

котором функция ϕ(x) принимает значения

ϕ(x)=

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

γ>γ

γ≤

,хесли ),x(Sign

,хесли,х

(8.4)

параметр α выбирается, как и для алгоритма (8.2);

– некоторый параметр, определяющий свойства защищенности алгоритма

(8.3) от влияния грубых помех. Если обычная помеха {N

(i)}имеет нормальное

распределение с нулевым средним и дисперсией

, то параметр γ можно вы-

бирать в виде

γ = ∆

+ 2,5 , (8.5)

где ∆

– модуль вероятного превращения полезного сигнала на соседних отсче-

тах. Как видно из формул (8.3) и (8.4), фильтр релейного экспоненциального

сглаживания не пропускает высокочастотную составляющую с амплитудой <γ и

пропускает без запаздывания изменение сигнала, если это приращение больше γ.

Для исключения пропускания отдельных выбросов (пиков) сигнала или

определения появления устойчивого приращения при оценке

Z(i) целесообразно

выбирать либо из надежных физических представлений, либо путем обработки

нескольких, например трех-пяти последовательных, отсчетов наблюдаемой пе-

ременной. Сигнал об устойчивом изменении параметра В формируется из усло-

вия

⎩

⎨

⎧

Θ≥++

.случаях остальных в ,0

,)2i(*Z ),1i(*Z ),i(*Z если ,1

)Z(Bsign (8.6)

При неизменяемой переменной

⎩

⎨

⎧

Θ<++

.случаях остальных в ,0

,)2i(*Z ),1i(*Z ),i(*Z если ,1

)Z(B (8.7)

Глава 8. Экспертные системы в доменном производстве

8-33

Алгоритм медианного сглаживания.

Алгоритм медианного сглажива-

ния (med) представлен выражением

(i) = med{Z

i-M-1

, Z

i-M

,…, Z

} (8.8)

с конечной «памятью» сглаживания, равной числу точек М.

Для решения проблемы выделения «полочек» и знаков тренда изменения

измеряемых параметров остановимся на задаче выделения их на стационарных и

локально-стационарных участках, описываемых выражением

Х(t* ± Θ) = X

(t*) + n(t*±Θ) при

*Т

≤Θ

, (8.9)

где Х – измеренная переменная; t* – дискретное или непрерывное время, отне-

сенное к середине участка длительностью Т*; Θ – переменный сдвиг по времени

вокруг центра t*; X

– действительное значение полезного сигнала, характери-

зующего уровень полочки; n – измерительная помеха, эквивалентная обычным и

грубым искажениям полезного сигнала.

При решении задачи выделения «полочек», участков с положитель-

ным и отрицательным трендом может быть использовано релейное экспоненци-

альное сглаживание первого порядка, в котором базовые значения α*, β* на-

строечных коэффициентов следует выбирать по

приближенным соотношениям

α* =

;

∆

β =2,5σ

, т.е. в зависимости от длительности участка Т*,

среднеквадратичного отклонения обычной помехи σ

и шага дискретизации

времени ∆

при считывании сглаживаемых данных. При этом оперативно рас-

считывается текущее среднее знаковой последовательности отклонений между

х(t) и выдаваемой релейным экспоненциальным сглаживанием оценкой х

(t).

Такой расчет делается рекуррентно:

= S

(t-1) + {sing [x (t) – x

(t)] – S

(t-1)}, (8.10)

где S

– экспоненциальная оценка при 1>α>a* текущего среднего знаковой по-

следовательности sing […] в дискретные моменты 0,1,…(t-1), отстоящие друг от

друга на шаг ∆

Если имеет место неравенство ⏐S

(t)⏐>δ

, то гипотеза «полочки» от-

вергается.

Алгоритмы формирования управляющих воздействий рекомендаций,

корректировок и обучения

В основу этих алгоритмов положен метод восстановительно-

прогнозирующей алгоритмизации. Сущность ее содержательно связана с разно-

образной практикой человеческой деятельности, в ходе которой находятся рет-

роспективно (с запаздыванием) образцовые (идеальные) решения, а затем они

используются в целях общего обучения и контрольного управления.

При восстановлении образцовых решений производится:

•

сглаживание последовательностей данных

, с целью подавления из-

мерительных помех посредством алгоритма релейно-

Глава 8. Экспертные системы в доменном производстве

8-34

экспоненциального сглаживания согласно выражению (8.3); расчет

ошибки управления

δХ(i) = X

(i) – X

(i), (8.11)

где X

(i) – вектор фактического значения выходного параметра при i-м от-

счете (реализации);

(i) – вектор заданного значения выходного параметра;

•

восстановление образцовых (идеальных) управлений

(i) = U

(i) + 1/К δХ(i), (8.12)

где U

(i), U

(i) – векторы соответственно восстановленного и фактического

управлений на i-м отсчете (реализации);

К – коэффициент передачи канала управления;

•

приведение управлений к базовым условиям

(i) = U

(i) +

], (8.13)

∑

−

mmm

Z)i(Z[l

где Z

(i) и – нерегистрируемые и базовые значения учитываемых факто-

ров;

– пересчетные коэффициенты;

М – число учитываемых факторов;

•

автопрогнозирование приведенных управлений

для условий на пред-

стоящий отсчет (реализацию)

(I+1) = F[U

(i), U

(i-1), …, U

(i-n)], (8.14)

где F[] – математический оператор прогнозатора;

•

пересчет базовых экстраполированных управлений на

предполагаемые

начальные условия

U(i+1) = U

(i+1) + ]. (8.15)

∑

−

mmm

ZiZl

)([

8.5. Характеристика базы знаний

База знаний содержит два основных модуля:

базу знаний для диагностики нарушений хода доменной печи;

базу знаний для диагностики нарушений теплового режима.

Кроме этого, имеются еще два модуля, которые используются для опре-

деления:

причин (факторов), вызывающих соответствующие нарушения хода

печи;

причин (факторов), вызывающих соответствующие нарушения теп-

лового режима доменной плавки.

Схемы баз знаний указанных модулей представлены на

рис. 8.10-8.13

, из

которых очевидна используемая информация и логика построения экспертных

подсистем хода доменной печи. Все базы представляют собой многослойные

структуры, в элементах которых производятся вычисления коэффициентов уве-

ренности CF

i .