Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в электродуговых руднотер-мичесхих и сталеплавильных печах прямого действия (ЭДП) проводится широкий спектр электротехнологических процессов (ЭТП), которые применяются в черной и цветной металлургии, в химической промышленности, в машиностроении, для производства ферросшіавов, стали, карбидов, минеральных удобрений и других продуктов. Получение целевых продуктов в ЭДП прямого действия происходит за счет тепловой энерпш; выделяемой при прохождении электрического тока через токопроводящую среду, содержащую исходное сырье, промежуточные и конечные продукты.
С увеличением мощности электродуговых печей, при использовании новых видов сырья возрастают требования к уровню автоматизации и управления технологическими процессами, к экономии сырьевых и энергетических ресурсов. Растут и требования экологии к электротермическим производствам. В ходе оперативного управления ЭТП, для обеспечения преобразования электрической энергии в тепловую с наибольшим технологическим эффектом, должны обеспечиваться определенная степень развития электрической дуги и распределение энергии по зонам электропечи, при которых протекали бы главным образом реакции получения целевого продукта при минимальном развитии побочных процессов. Преобразование электрической энергии в тепловую совершается при прохождении электрического тока через зоны, отличающиеся аїрегатньш состоянием материалов: твердую шихту, жидкий расплав металла или шлака и электрическую дугу. Развитие электрической дуги позволяет обеспечить высокую концентрацию энерпш и необходимую температуру, как для протекания реакций восстановления, так и для плавления тугоплавких материалов.
При автоматизации ЭТП возникает проблема текущего контроля электротехнологических параметров зон токопроводящей среды, недоступных дая непосредственного наблюдешш. Высокие температуры и агрессивная среда в зоне плавления затрудняют непосредственное получение информации. Электрические параметры зон токопроводящей среды электропечи характеризуют не только энергетический режим, но и непосредствешю связаны с физико-химическими процессами. Состояние и ход технологического процесса отражается в электрических свойствах зон токопроводящей среды и электрической дуги, внешним проявлением этих свойств являются временные функции и спектральный состав рабочих токов и напряжений на электродах, через которые осуществляется подвод электрической энергии. Определение в ходе технологического процесса элв" зроэнергетических параметров и характеристик токопроводящей среды з электропечах позволяет осуществлять непрерывный контроль важнейших технологических переменных и является основой оперативного управления технологическими процессами.
Таким образом, проблема текущего контроля недоступных для прямого наблюдения параметров и переменных электротехнологических процессов в
элекгродуговых печах является весьма актуальной. Решение этой проблемы проводится в настоящей работе на основе построения.и идетцфикации нелинейных схешшх моделей токопроводящей среды печи без вмешательства в технологический процесс по мгновенным значения»! и спектральным составляющим рабочих токов и напряжений, обусловленных нелинейностью электрической дуги.
Исследования, проводимые ыо теме диссертации, выполнялись в соответствии с постановлениями ГКНТ № 491/244 от 8.12.1981; № 555 от 30.10.1985, в рамках комплексных долевых научно-технических программ отраслевого значешм; при выполнении хоздоговорных работ в соответствии с платами НИР, ОКР и ПКР научно-исследовательского и проектного института основной химической промышленности (АО 'ТШИГИПРОХЙМ", г. С. Петербург), Всероссийского научно-исследовательского и проектного института электротермического оборудования (АО "ВНИИЭТО"), НПО "Электротерм" (г. Москва), НПО "ОКА", НПО "ТУЛАЧЕРМЕТ", АО "Ванадші-Тулачермет" (г. Тула); при иодцержке в форме гранта Министерства образования Российской Федерации.
Целью работы язщяетсж разработка методов и средств автоматизации оперативного контроля недоступных для прямого наблюдения электротехнологических параметров и переменных при управлении технологическими процессами в многоэлектродных ЭДП; разработка методов получения информации об электрических параметрах и характеристиках зон токопроводящей среды электропечей по особенностям формы и спектрального состава сигналов рабочего тока и напряжения в процессе нормальной работы.
Достижение этой цели позволяет решить важную научно-техническую проблею' автоматизации текущего контроля недоступных параметров и переменных технологических процессов, процессов преобразования и распределения энергии в ЭДП и повышения эффективности управления.
Основные положении, защищаемые в диссертации:
обобщенные нелинейные схемные модели (OHM) электротехнологических процессов в ЭДП как динамических систем для целей кошроля и управления, отражающие внутреннюю зонную структуру токопроводящей среды, электрические параметры подэлектродных зон, нелинейность и динамические свойства электрической дуга, взаимные свіізи в многоэлектродных печах;
метод получения информации о преобразовании энергии, элекгротех-кологических параметрах недоступных для наблюдения зон токопроводящей среды ЭДП на основе кешшейных характеристик OHM, по внешним проявлениям их свойств в особенностях несинусоидальных сигналов рабочего тока и напряжения, обусловленных нелинейностью дуги;
подход к оперативной иденгификацші обобщенных нелинейных моделей ЭТП на основе периодических несинусоидальных колебаний рабочих токов и напряжений в процессе нормальной работы, рассматриваемых как тестігруїощие воздействия, при представлении нелинейных характеристик в
базисе линейно независимых многочленов на основе степенных функгдш;
условия параметрической вдегтпіфтщируемости обобщенных нелинейных моделей при периодических сигналах, формирующие треооваїпія к количеству измеряемых спектральных составляющих сигналов и к сигналам базисных функций в разложении нелинейных характеристик;
методы и алгоритмы параметрической идентификации обобщенных нелинейных схемных моделей на основе мгновенных значений и спектральных составляющих внешних электрических сигналов, с учетом взаимных связей между электродами, электромагнитного перераспределения энергии и влияния рабочих иепей на измерательные;
декомпозиция задачи определения параметров нелинейных характеристик статической и динамической частей обобщенной схемной модели при периодических сигналах;
инженерная аналитическая методика оперативного контроля преобразования и распределения энергии по зонам печи, их параметров и характеристик на основе ограниченного количества спектральных составляющих сет-налов;
программно-техшгческіге средства автоматизации контроля и управления электротехнологическими процессами в электродуговых печах на основе идентификации схемных моделей.
Методы исследования. При получении основных результатов в работе использовались методы построения и идентификагпш моделей, теории динамических систем, теории автоматического управления, теории нелипейных цепей, теории аппроксимации, методы теории сигналов, теории матриц, преобразования Фурье. Исследование методов и систем автоматизированного контроля проводилось на основе цифрового моделирования, на опытных установках и промышленных объектах.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждена математическими доказательствами полученных результатов, компьютерным моделированием, экспериментальными исследованиями, ога.ггао-промьтшенныьш испытаниями и практической реализацией разработанных методов и систем.
Научная новизна работы состоит в создании теоретических основ разработки алгоритмов и построения систем автоматизации оперативного контроля внутренних параметров и переменных элехтротехнологических процессов в ЭДП для целей управления на основе идеіггификации начинейньгх схемных моделей по мгновенным значениям и спектральным составляющим несинусоидальных колебаний рабочих токов и напряжений.
В работе получены следующие новые результаты.
1.Разработаны обобщенные нелинейные схемные модели типовых электротехнологических процессов в ЭДП как динамических систем доя целей контроля и управления, отражающие внутреннюю зонную струхоуру токо-проводящей среды, электротехнологические параметры подэлектродных зон, нелинейность и динамические свойства электрической дуги.
2.Разработан метод получения информации о преобразовании энергии, электротехнологаческнх параметрах, недоступных Для наблюдения зон токо-нроводящей среды ЭДП на основе нелинейных характеристик OHM, ио вненшим проявлениям их свойств в особенностях несияусоидшшяых сигналов рабочего тока и напряженш, обусловленных нелинейностью дуги.
З.Предложен подход к вденгафиканші OHM на основе использования в качестве источника информации периодических несшгусоадальных колебаний рабочих токов и напряжений в процессе нормальной работы, рассматриваемых как тестирующие воздействия, при представлении нелинейньгх характеристик в базисе линейно независимых многочленов на основе степенных функций.
4.Пояучсны условия параметрической ндентйфіщируемости OHM при периодических сигналах, которые отражают устойчивость периодических режимов, лішейную независіюость системы сигналов базисных фуіпщий и их производных, требования к количеству измеряемых спектральных составляющих сигналов.
5.Разработаны методы и алгоритмы параметрической вдентифгасацш обобщенных нелинейных схемных моделей по мгновенным значениям а спектральным составляющим внешних электрических сигналов при детерминистском подходе и при учете случайных составляющих в сигналах на основе метода максимального правдоподобия и метода наименьших квадратов.
б.Доказано что, в частном случае, при гармоническом сигнале тока, достаточным условием для получешш единственного решения относительно неизвестных параметров одномерных моделей является формирование системы уравнений относительно этих параметров на основе ограниченного количества гармонических составляющих напряжения, равного порядку аппроксимации. В. общем случае, при несинусовдалышх сигналах тока с преобладающей первой гармоникой, свойства параметрической идеитифицируемостн моделей определяются их свойствами при гармоническом сигнале тока.
7.Доказана независимость задач определения параметров нелинейных характеристик статической и динамической частей OHM при периодических сигналах; создана методика, позволяющая находить параметры на основе решения систем уравнений меньшей размерности.
8.Получено аналитическое решение относительно параметров моделей на основе измерения ограниченного количества спектральных составляющих сишалов при представлении нелинейных характеристик в базисе степенных функций, многочленов Лежандра и многочленов Чебышева.
9.Разработана методика определения параметров многомерных схемных моделей с учетом взаимных связей между электродамп, алєіаромагнитного перераспределения энергии и влияния рабочих цепей на измерительные, при измерении как ме;кэлехтродных напряжений, так и напряжешШ элекгрод-подина.
Ю.На основе предложешіьгх методов идешифшеации обобщенных нелинейных моделей для различных типов технологических процессов разра-
боганы прикладные мегодякн и новые структуры систем автоматизации оперативного кошроля недоступных для наблюдения электротехнолопгтеских параметров и переменных при управлении ЭТП в элекгродуговых почах.
Практическая ценность работы состоят в том, что предложен единый методологический подход х автоматизации оперативного котроля и получению ішформацни об злектрогехнолоіическлх и энергетических параметрах п переменных, недоступных дія наблюдения зон токопроводящеЙ среды н электрической дуги при управлении типовыми ЭШ в элекгродуговых рудно-термических и сгалешавильных печах. Проїпводигся учет взаимных электромагнитных связей между электродами и влияния рабочих цепей на юме-ритсльные.
Подход теоретически обоснован, уішвсрсалші для широкого класса элекгротехнологических процессов в ЭДП (шлаковых, бесшлаковых, процессов с открытой дугой), доведен до конкретных методик и практической реализации систем автоматизированного контроля на микропроцессорной и коліпьютсрнсй основе.
Разработана методика оперативного котроля сопротивлений, активных .мощностей, выделяемых в дуге, в шихте, в расплаве, вольт-амперной характеристики дуги и общих энергетических показателей на основе дискретіпох значений и спектральных составляющих рабочих токов и напряжений.
Установлена взаимосвязь гармонических составляющих рабочігх токов и напряжений с параметрами схемных моделей, на основе которой разработана инженерная аналитическая методика оперативного котроля преобразования и распределения энергии в подэлектродных зонах ванны печи, их параметрами и характеристиками при использовании ограниченного количества спектральных составляющих сигналов, которая проста в реализации и не требует болышгх Бычислотелыалх ресурсов.
Применение в системах управлеіпія ЭТО разработанных методов, алгоритмов и систем контроля, дающих новую, необходимую для управления информацию о внутренних электротехнолотических параметрах, о степени развития электрической дуги, позволяет управлять ранее неконтролируемыми злектротехпологическими переменными, что новыгаает эффективпость преобразования электроэнергии и технологических процессов в электродуговых печах.
Реализация результатов работы. Предложенные в диссертации методы автоматизации оперативного контроля внутренних параметров и переменных электротехнологаческих процессов в ЭДП легли в основу методик и программно-технических средств на основе компьютерной и микропроцессорной техники, которые прошли опылю-промышленную эксхиуатацию на конкретных технологических процессах, внсдреїші в НПО "Электротерм", АО "ВНИИЭТО" (г. Москва), АООТ "НИИГ.И17РОХИМ - Санкт Петербург", НПО "ТУЛЛЧЕРМЕТ", АО "Вападий-Тулачермег" и используются при разработке систем управления злекгротехнолопгческіїшііпюцессами.
Разработаны и реализованы: компьютерная система автоматизации кон-
троля и управления ЭТИ в промышленных электродуговых печах, которая позволяет в реальном времени получать информацию о сопротивлениях и мощностях подэлектродных зон, электрической дуги и использовать ее для управлешія электротехнологическим процессом как в локальных системах, так и в АСУ ТП; цифро-аналоговый шестиканалышй анализатор спектральных составляющих рабочего тока и напряжения многоэлектродных дуговых электропечей для иденгификации схемных моделей; микропроцсссорішгіі контроллер текущих) распределения мощности по зонам ванны электродуговых печей, вьтолняющий функции интеллектуального датчика.
Разработанные методы и средства использовались при проведешш в гфомгшлленньгх условиях идеіггафикации и контроля внутренних элсктро-технологаческих параметров и переменных процесса выплавки фсрросіші-кохрома (ФСХ 48) в печи РКЗ-33 Челябинского элекнхшеталлургического комбината, процесса выплавки ферросилиция в лечи типа РКЗ-16,5 Ермаков-ского завода ферросплавов, процесса получения фосфора в печи РКЗ-80Ф ДПО "НОДФОС" г. Джамбул, процесса выплавки карбида хрома в печи ОКБ-955Н, процесса выплавки феррованадия и плавки мегаллоотсева в сталеплавильной печи ДС-6Н1 АО "Ванадий-Тулачериет" г. Тула.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались: на I и II Международных научно-технических конфереішиях "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, МГТУ, 1991, 1994); на научно-технических совещаниях "Проблемы рудной электротермии" (С. Петербург, 1996), "Компьютерные методы в управлении электро-технологическими режимами рз'днотермических печей" (С. Петербург, 1998); " Компьютерное моделирование при оптимизации технолопиесюїх ігроцес-сов электротермических производств" (С. Петербург, 2000); на IV Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Параметры рудовосстановитслыа.гч электропечей, совершенствование конструктивных элементов и проблемы управления процессами" (г. Никополь, 1987); на Всероссийской научной конференции "Электротехшлогия сегодня и завтра" (Чебоксары, 1997); на Международных научных конференциях "Математические методы в технике и технологиях" (Гула, 1993; Тверь, 1995; Тула, 1996; Новомосковск, 1997; Владимир, 1998; Великий Новгород, 1999); їй IV Международной шумной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов" (Москва, 1994); на IV Всероссийской научной конференции "Дшшшка процессов и ашгаратов химической технологии" (Ярославль, 1994); на Междуіга-родном семинаре "Автоматизация: проблемы, идеи, решеїаія" (Тула, 1996); на Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Электроника и ннформатика-97" (Москва, 1997), на I Всероссийской научно-технической конферегапш "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (Нижний Новгород, 1999); на научно-технических конференциях и научных сессиях Тульского государственного университета в 1980-2000 гг.
Публикации. По результатам выполненных исследований оиублпковл-
но 63 печатные работы, среди которых две монографии, учебное пособие, три авторских свидетельства и патент на изобретение.
Структура и об-ьсм работы. Диссертация состоігг из вледения, семи разделов, выводов по результатам исследований, библиографического списка го 281 наименования и приложения. Основная часть работы изложена на 316 страницах Работа содержит 84 рисунка и 12 таблиц.