Введение к работе
Актуальность работы. Современная тенденция развития науки и техники характеризуется развитием, внедрением и широким использованием компьютерных систем поддержки принятия решений в АСУП и АСУ ТП, в основу которых положены методы математического моделирования. Роль алгоритмов и компьютерных программ для решения комплекса технологических задач в области металлургии MES–уровня (Manufacturing Execution Systems – системы управления технологией, производственными процессами) современных автоматизированных информационных систем крупнейших металлургических предприятий России в настоящее время становится все более очевидной. Это определяет потребность в разработке информационно-моделирующих систем, основу которых составляет комплекс математических моделей, учитывающих как физику процесса, основы теории тепло- и массообмена, законы сохранения энергии, так и особенности влияния технологических и стандартных характеристик сырья на показатели производственного процесса. При этом важно обеспечить высокий уровень их интеграции с существующими производственными и корпоративными системами.
Особое место в этом комплексе технологических операций получения металлопродукции отводится доменному переделу как самому энергоёмкому и сложному, на долю которого приходится до 50 % топлива, используемого в чёрной металлургии.
Анализ состояния вопроса по реально используемым математическим моделям в практике ведения технологии доменной плавки показывает: в настоящее время разрыв между потенциальными возможностями средств автоматизации и реальными возможностями используемого программного обеспечения огромен.
В связи с этим следует выделить актуальные научные проблемы, первостепенными из которых являются:
разработка научных основ создания автоматизированных систем анализа и прогнозирования для решения комплекса технологических задач доменного производства;
использование современных достижений в области математического моделирования, теории и практики доменной плавки, теории управления при разработке автоматизированных систем управления;
разработка на основе современных принципов соответствующего математического, алгоритмического и программного обеспечения.
Цель диссертационной работы. Решение актуальной научно-практической проблемы создания автоматизированной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха (АИС АППС ДЦ) на основе разработки и применения новых методов и алгоритмов.
Задачи исследования. 1. Выявление особенностей управления доменной плавкой в современных условиях на основе развития и использования систем поддержки принятия решений на MES-уровне.
2. Разработка функциональной модели процессов и подсистем для решения технологических задач доменного производства.
3. Создание структур подсистем формирования и информативной визуализации отчётных и расчётных (модельных) показателей в действующей системе управления доменной плавкой, а также прогнозирования работы доменных печей и цеха в целом при изменении технологических режимов.
4. Разработка алгоритмического и программного обеспечений отдельных подсистем, включая инфологическое моделирование базы данных и клиентских приложений, интегрированных в информационное пространство металлургического предприятия.
5. Обоснование возможности использования АИС АППС ДЦ для решения комплекса технологических задач доменного производства.
Методы выполнения работы. Выполнение диссертационной работы базируется на: структурном анализе; физико-химических закономерностях основных процессов, протекающих в доменной печи; обобщении отечественного и зарубежного опыта создания автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами; использовании методов математического моделирования, современных принципов разработки алгоритмического и программного обеспечений, предназначенных для автоматизированного управления сложными технологическими процессами и их комплексами в металлургии.
Научная новизна. 1. Научные основы создания автоматизированной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха, включающие в себя: основные принципы построения АИС АППС ДЦ в современных условиях на основе развития и использования систем поддержки принятия решений; функциональное моделирование процессов и подсистем для решения технологических задач доменного производства; структуры подсистем формирования и информативной визуализации отчётных показателей в действующей системе управления доменной плавкой, оценки и прогнозирования газодинамического, шлакового и теплового режимов доменной плавки, оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей, оптимального состава доменной шихты; алгоритмическое обеспечение отдельных подсистем, включая инфологическое моделирование базы данных подсистем, а также проектирование расчётных блоков математических моделей; .
2. Функциональная модель АИС АППС ДЦ, описывающая все необходимые процессы решения технологических задач доменного производства с точностью, достаточной для однозначного моделирования отдельных подсистем: сбора, хранения и отображения исходных данных; формирования и сопоставления отчётных показателей работы доменных печей и цеха; модельных систем оценки теплового, газодинамического и шлакового режимов доменной плавки, диагностики работы доменных печей и прогнозирования технологических ситуаций; оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей; оптимального состава доменной шихты.
3. Новые структуры подсистем АИС АППС ДЦ:
структура подсистемы формирования и сопоставления отчётных показателей работы доменного цеха, позволяющая оперативно получать достоверную информацию для осуществления функций контроля и сравнения отчётных показателей работы доменных печей и цеха в целом в различные временные периоды, а также снизить трудозатраты инженерно-технологического персонала на проведение комплексного анализа технологии доменной плавки;
структура подсистемы анализа и прогнозирования шлакового режима доменной плавки, включающая блоки модельной оценки параметров зоны первичного шлакообразования, состава и свойств конечного шлака в базовом и проектном периодах работы доменных печей в случае планируемого изменения видов и свойств железорудного сырья, флюсов, дутьевых параметров, состава жидких продуктов плавки;
структура подсистемы анализа и прогнозирования газодинамического режима доменной плавки, включающая блоки модельной оценки газодинамических параметров (степени уравновешивания шихты газовым потоком, критического расхода дутья, общего и частного перепадов давлений по высоте печи и др.) в базовом и проектном периодах работы доменных печей в случае планируемого изменения состава и свойств доменной шихты, параметров комбинированного дутья и уровня засыпи;
структура подсистемы оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей в различных технологических ситуациях (сохранение или изменение общего расхода природного газа, кислорода, кокса для цеха в целом; изменение конъюнктуры рынка), отличающаяся учётом технологических ограничений на работу отдельных печей;
структура подсистемы выбора оптимального состава доменной шихты, позволяющая с учётом заданных технологических ограничений на шлаковый, газодинамический и тепловой режимы доменных печей определять необходимое соотношение шихтовых материалов, расход флюсов и состав агломерата для обеспечения его заданной основности;
структура подсистемы анализа производственных показателей, основанной на алгоритмах информационно-поискового анализа и оперативной аналитической обработки данных OLAP (OnLine Analytical Processing) и использующей концепцию многомерного представления данных, которая обеспечивает возможность оперативного доступа уполномоченных пользователей ко всей интересующей информации по доменному производству.
4. Алгоритмическое обеспечение интегрированных подсистем АИС АППС ДЦ, выполненное на основе: инфологического моделирования базы данных серверной части системы в виде набора взаимосвязанных ER-диаграмм (диаграмм «сущность–связь») с использованием CASE-средств (Computer-Aided Software Engineering) проектирования; принципов структурного системного анализа и формализации процедурно-ориентированного подхода в виде диаграмм потоков данных (Data Flow Diagram, DFD), что позволило реализовать клиентское программное обеспечение подсистем: визуализации среднесменных и среднесуточных данных о работе доменных печей; формирования технического отчёта о работе доменных печей и цеха; сопоставления отчётных показателей работы доменных печей и цеха; модельной поддержки принятия решений, диагностики работы доменных печей и прогнозирования технологических ситуаций; визуализации показателей работы доменных печей для OLAP.
5. Обоснование возможности использования АИС АППС ДЦ для решения комплекса технологических задач доменного производства.
Практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы обеспечивают: создание и развитие прикладных инструментальных систем исследования; моделирование и обучение с учётом технических возможностей современных систем управления сложными агрегатами и комплексами в металлургии; совершенствование режимов работы и систем управления технологическими, в частности металлургическими, объектами и их комплексами; разработку автоматизированных рабочих мест инженерно-технологического персонала промышленных предприятий; преподавание учебных дисциплин для студентов вузов соответствующих специальностей.
Реализация результатов. Результаты работы внедрены и используются: в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» – автоматизированная система анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха для решения комплекса технологических задач по управлению технологией выплавки чугуна и повышения технико-экономических показателей доменного производства; в ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» для подготовки инженеров по специальности 230201 «Информационные системы и технологии», бакалавров по направлению 230400 «Информационные системы и технологии» (профиль «Информационные системы и технологии в металлургии»), бакалавров по направлению 150100 «Металлургия» (профиль «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей»).
Достоверность полученных положений, выводов и рекомендаций доказана использованием современных методов, технологий и средств разработки программного обеспечения для автоматизированного управления технологическими процессами, сопоставлением результатов моделирования с производственными данными, а также соответствием полученных результатов современным представлениям о закономерностях доменного процесса.
Предмет защиты. На защиту выносятся:
научные основы создания автоматизированной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха;
функциональная модель процессов и подсистем для решения технологических задач доменного производства;
структуры подсистем формирования и визуализации отчётных показателей в действующей системе управления доменной плавкой, оценки и прогнозирования газодинамического, шлакового и теплового режимов доменной плавки, оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей, оптимального состава доменной шихты;
алгоритмическое обеспечение отдельных подсистем, включая инфологическое моделирование базы данных подсистем, а также проектирование расчётных блоков математических моделей;
рекомендации по определению оптимальной основности шлакового режима доменных печей в меняющихся сырьевых условиях с использованием АИС АППС ДЦ.
Личный вклад автора заключается в разработке научных основ создания автоматизированной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха; выборе и обосновании средств анализа, проектирования и реализации алгоритмического и программного обеспечений системы; разработке функциональной модели процессов и подсистем для решения технологических задач доменного производства; разработке инфологической и даталогической моделей базы данных; реализации и отладке программного обеспечения всех подсистем АИС АППС ДЦ (формирования и сопоставления отчётных показателей работы доменного цеха; оценки и прогнозирования газодинамического, шлакового и теплового режимов доменной плавки; расчёта материальных и тепловых балансов доменной плавки; оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей; оптимального состава доменной шихты); обобщении, научном обосновании полученных результатов, формулировке выводов и рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на 67 конференциях, включая Международные симпозиумы и научно-практические конференции: «Modeling, advanced process technology, expert and control systems of heat and mass transfer phenomena» (Россия, Екатеринбург, 1996); «Экология и теплотехника – 1996» (Украина, Днепропетровск, 1996); «Extending Blast Furnace Campaign Life» (США, Миртл-Бич, 1997); 2nd International Congress on the Science and Technology of Ironmaking and 57th Ironmaking Conference Proceedings (Канада, г. Торонто, 1998); «С творческим наследием Б.И. Китаева – в XXI век» (Россия, Екатеринбург, 1998); «Mathematical Modeling, Control and Advanced Technological Processes» (Россия, Екатеринбург, 1999); «Теплофизика и информатика в металлургии: достижения и проблемы» (Россия, Екатеринбург, 2000); «Автоматизированный печной агрегат – основа энергосберегающих технологий XXI века» (Россия, Москва, 2000); «X Бенардосовские чтения» (Россия, Иваново, 2001); «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» (Россия, Москва, 2002); «Теплотехника и теплоэнергетика в металлургии» (Украина, Днепропетровск, 2002, 2008, 2011); «Разработка программного обеспечения для технологических процессов в металлургии» (Россия, Магнитогорск, 2002); «Теория и практика производства чугуна» (Россия, Кривой Рог, 2004); «Металлургическая теплотехника: история, современное состояние. Будущее. К столетию со дня рождения М.А. Глинкова» (Россия, Москва, 2006); «Топливно-металлургический комплекс» (Россия, Екатеринбург, 2007); «Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении» (Россия, Москва, 2008); «Пече-трубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология» (Россия, Екатеринбург, 2008); «Творческое наследие Б.И. Китаева» (Россия, Екатеринбург, 2009); «Современные металлические материалы и технологии (CMMT’2009). Advanced Metal Materials and Technologies (AMMT’2009)» (Россия, Санкт-Петербург, 2009); «Инженерная поддержка инновации и модернизации» (Россия, Екатеринбург, 2010); «Доменное производство – XXI век» (Россия, Москва, 2010); «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов» (Россия, Москва, 2010); «Повышение качества образования и научных исследований" (Казахстан, Экибастуз, 2010, 2011 и 2012); «Инновации в материаловедении и металлургии» (Россия, Екатеринбург, 2011); «Новые образовательные технологии в вузе» (Россия, Екатеринбург, 2012, 2013); «Теория и практика тепловых процессов в металлургии» (Россия, Екатеринбург, 2012); «Новые направления в области теплотехнического строительства. Конструкции, технологии, материалы. Энергосбережение, экология и промышленная безопасность» (Россия, Москва, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 163 печатные работы, в том числе: 2 научные монографии; 28 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 14 в зарубежных изданиях; 42 статьи в научных сборниках и материалах международных симпозиумов и конференций; 51 в научных сборниках и материалах всероссийских конференций; получено 4 патента и 17 свидетельств на регистрацию программ для ЭВМ и баз данных; 1 учебник с грифом УМО по образованию в области металлургии; 4 учебных пособия.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 399 страницах машинописного текста, включая 182 рисунка, 39 таблиц, и состоит из общей характеристики работы, 6 глав, заключения, списка использованных источников из 214 наименований отечественных и зарубежных авторов, 6 приложений.
