Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ процесса плавки в РТП 9
1.1 Анализ состояния технологического процесса электроплавки в РТП 9
1.1.1 Анализ сырья для производства никеля 9
1.1.2 Анализ состояния технологического процесса плавки в рудно-термической печи 16
1.2 Анализ влияния основных режимных параметров на технологический процесс плавки в РТП 29
1.3 Анализ состояния автоматизации процесса электроплавки в РТП 36
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 45
2 Разработка экспертной системы процесса плавки медно-никелевого агломерата в РТП 48
2.1 Понятие экспертных систем 49
2.1.1 Определение и базовая структура экспертной системы 49
2.1.2 Методика предварительной обработки исходных данных 52
2.2 Разработка математического описания процесса 56
2.2.1 Требования предъявляемые к математическому описанию процесса рудно-термической плавки 57
2.2.2 Анализ существующего математического описания процессов электроплавки 59
2.3 Использование современных информационных технологий при построении
математического описания процесса плавки 63
2.3.1 Применение теории нейронных сетей при построении математических моделей
процесса плавки 66
2.3.1.1 Из теории нейронных сетей 66
2.3.1.2 Обучение нейронных сетей 70
2.3.1.3 Разработканейросетевой модели 71
2.3.1.4 Обучение и проверка нейросетевой модели 78
2.3.2 Применение теории нечетких множеств при разработке блока нечеткого
управления 83
2.3.2.1 Введение в теорию нечетких множеств и нечеткую логику 83
2.3.2.2 Разработка блока нечеткого управления для процесса плавки в РТП 92
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 97
3 Реализация экспертной системы процесса рудно-термической плавки 99
3.1 Требования, предъявляемые к экспертной системе 99
3.2 Разработка структуры программной реализации экспертной системы 100
3.3 Разработка алгоритма работы экспертной системы 103
3.4 Описание программной реализации экспертной системы 107
3.5 Результаты использования экспертной системы 109
Выводы по главе 113
Заключение 115
Список литературы 116
- Анализ влияния основных режимных параметров на технологический процесс плавки в РТП
- Требования предъявляемые к математическому описанию процесса рудно-термической плавки
- Разработка блока нечеткого управления для процесса плавки в РТП
- Разработка структуры программной реализации экспертной системы
Введение к работе
Важнейшей отраслью экономики России является металлургическая промышленность. Развитие наукоемких производств и многостадийных технологических процессов вообще, и, в частности, в цветной металлургии, поставило задачу повышения технико-экономических показателей переработки сырья в металлургических агрегатах. Особенно остро эта задача стоит при совершенствовании производства пирометаллургических процессов переработки сульфидных руд в рудно-термических печах (РТП), ввиду важности этого процесса не только для цветной металлургии, но и для народного хозяйства в целом.
В настоящее время значительное внимание уделяется вопросу улучшения показателей действующих агрегатов электроплавки на основе создания и внедрения автоматизированных систем управления процессом. Различные аспекты разработки АСУ металлургическими процессами рассмотрены в работах Д.А. Бочкова, Г.М. Глинкова, А.Г. Киселева, В.П. Цымбала и других.
Сложность создания автоматизированных систем управления объясняется тем, что технологические процессы протекают, как правило, в высокотемпературных и химически агрессивных средах, в агрегатах большой единичной мощности, слабо оснащенных системами автоматического контроля основных технологических параметров, что не позволяет оперативно контролировать изменение этих параметров по ходу процесса.
Существующий уже многие десятилетия процесс рудно-термической плавки также является весьма сложной системой. Во-первых, этот процесс относится к классу нестационарных, случайных, нелинейных и многосвязных объектов, во-вторых, характеризуется большим количеством параметров и неучтенных возмущающих воздействий, наряду с чем представляет собой комплекс очень сложных химических взаимодействий, осложненных физическими превращениями, механическими и тепловыми процессами, случайными процессами тепло-массообмена, высокой температурой и агрессивной средой в печи, а также другими, еще не достаточно понятными явлениями, и, в-третьих, в процессе плавки нет практически никакой прямой (непрерывной, надежной и полной) информации об основных технологических параметрах, что связано с низким уровнем автоматизации производства. В результате, до настоящего времени процесс рудно-термической плавки до конца не описан логическими и математическими уравнениями достаточно точно и всесторонне. В таких условиях практически невозможно надеяться на успешное управление объектом по известным, уже установившимся схемам, которые могут с успехом применяться лишь там, где объект описан полно.
В рамках сложной системы необходимо применение таких методов, которые не дают явного формульного решения, а лишь указывают алгоритм, т.е. последовательность действий, операций, осуществление которых приводит к конкретному решению. Эти методы открывают возможность получения эффективных алгоритмов решения сложных оптимизационных задач, используя для этих целей разнообразные средства вычислительной техники.
В результате этого встает вопрос создания некоторой системы управления процессом рудно-термической плавки, включающей как математическое описание, так и установление взаимосвязей внутри объекта. В связи с этим, основной задачей является выявление закономерностей на основе методов системного анализа, автоматизация алгоритмов и процедур принятия решений, а также перенос полученной модели в память ЭВМ с целью использования ее для автоматизированного управления сложным процессом в режиме советчика. Такой режим еще не позволяет полностью исключить оператора из контура управления, но все же приближает к полностью автоматической системе, которая без участия оператора могла бы управлять сложным и плохо формализованным объектом.
Современные тенденции в рудно-термическом производстве требуют новых подходов к управлению, основанных на применении новейших информационных технологий. В соответствии с этим на сегодняшний день предприятия рудно-термической плавки испытывают потребность в таких системах, которые будут работать в условиях неполной информации об объекте, при отсутствии автоматического контроля основных технологических параметров, позволяя, с достаточной степенью точности, рассчитывать значения этих параметров и прогнозировать их изменение. К таким системам относятся экспертные системы (ЭС), позволяющие проводить глубокую оценку технологического процесса с целью выявления причин, вызывающих его нарушения, а также для исследования, эффективного управления и оптимизации производства. ЭС предназначены, главным образом, для решения практических задач, возникающих в слабо структурированной и трудно формализуемой предметной области.
В связи с этим, в настоящей работе необходимо рассмотреть вопросы повышения эффективности работы печей рудно-термической плавки медно-никелевых руд путем разработки экспертной системы процесса.
На сегодняшний день не существует реально-действующей экспертной системы процесса рудно-термической плавки. В связи с чем, предлагаемая для исследования тема является актуальной.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка и практическая реализация экспертной системы управления процессом рудно-термической плавки, позволяющей повысить технико-экономические показатели процесса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ процесса рудно-термической плавки, выявить его особенности и причинно-следственные связи;
разработать структуру и алгоритмы работы экспертной системы с учетом выявленных особенностей процесса рудно-термической плавки;
построить научно-обоснованные и практически реализуемые математические модели расчета технологических параметров процесса электроплавки;
разработать алгоритм управления процессом, использующий дополнительную информацию, полученную от моделей;
разработать программную реализацию экспертной системы процесса рудно-термической плавки;
провести экспериментальную проверку разработанной экспертной системы процесса рудно-термической плавки.
Методы исследования. В диссертационной работе использована комплексная методика, включающая: структурно-функциональный анализ и синтез; метод экспертных оценок; методы активного и пассивного эксперимента; методы математического моделирования; теорию нечетких множеств; методы нейросетевого моделирования, а также программные средства (NeuroShell, MatLab, NeuroWindows, MathCad, Excel)
Научная новизна работы:
С использованием методов системного анализа обоснована необходимость разработки экспертной системы управления процессом рудно-термической плавки и преимущества ее применения по сравнению с существующими методами управления;
Предложены структура и алгоритмы работы экспертной системы управления процессом рудно-термической плавки;
Распространено применение искусственных нейронных сетей на решение задач расчета и прогноза технологических параметров процесса рудно-термической плавки.
Разработаны модели нейросетевого моделирования, способные прогнозировать основные технологические параметры состояния процесса плавки.
Предложены структура и алгоритм работы блока выработки советов разрабатываемой экспертной системы с использованием методов нечеткой логики.
Подтверждена эффективность применения разработанной экспертной системы процесса рудно-термической плавки результатами экспериментальных проверок.
Ценность научной работы (значение для теории) состоит:
в обосновании возможностей применения методов нейросетевого моделирования для решения задач прогноза основных технологических параметров процесса рудно-термической плавки;
в обосновании возможностей применении методов нечеткого управления для выработки советов по управлению процессом рудно-термической плавки.
Практическая ценность.
Разработанная экспертная система процесса рудно-термической плавки позволяет при проектировании и отладке АСУ сократить время разработки на 15-20%, а также исследовать влияние технологических параметров на показатели эффективности процесса;
Разработанная экспертная система процесса рудно-термической плавки позволяет повысить эффективность обучения и снизить время обучения при подготовке технологического персонала и студентов различных металлургических специальностей;
Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе положений и выводов определяется корректным использованием современных информационных технологий при построении математического описания процесса и подтверждается результатами экспериментальных исследований экспертной системы.
На защиту выносятся:
Структура и алгоритмы работы экспертной системы управления процессом рудно-термической плавки.
Нейросетевые модели расчета и прогноза технологических параметров процесса рудно-термической плавки, способные обеспечить высокий уровень точности оценки параметров.
Структура и алгоритм работы блока выработки советов экспертной системы.
Результаты экспериментальной проверки разработанной экспертной системы процесса рудно-термической плавки.
Реализация работы. Разработанная экспертная система внедрена в ЗАО «Краспромавтоматика» при проектировании и настройке АСУ в 2002г.; в учебный процесс в постоянную эксплуатацию в 2000г. в Иркутском государственном техническом университете при изучения дисциплин «Металлургия», «Теплотехника», «Автоматизация технологических процессов»; в 2001г. в Сибирском государственном технологическом университете при изучения дисциплин «Моделирование объектов и систем управления», «Автоматизированные системы управления технологическими процессами»; в 2002г. в Красноярском промышленном колледже при изучении дисциплин «Автоматизация технологических процессов», «Теория автоматического управления»; в 2002г. в Красноярской государственной академии цветных металлов и золота при изучении дисциплин «Моделирование процессов и объектов в цветной металлургии», «Информационные технологии в металлургии», «Имитационное моделирование технологических систем в металлургии».
Апробация работы. Основные положения и отдельные разделы диссертационной работы обсуждались и докладывались на международных, всероссийских, зональных и краевых конференциях и совещаниях, в том числе:
Всероссийская научно-практическая конференция «Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии», СибГИУ - Новокузнецк, 2001г.;
Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов (инновационный и инвестиционный потенциалы)», КГТУ - Красноярск, 2000г.;
Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых», Фонд НТИ и ТДМ, КГАЦМиЗ - Красноярск, 1999г.;
Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективные материалы: получение и технология обработки», Фонд НТИ и ТДМ, ГАЦМиЗ - Красноярск, 1998г.;
Международная научно-практическая конференция «Технология обучения как фактор творческого потенциала личности», ГАЦМиЗ - Красноярск, 27-30 апреля 1998г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ. Из них 1 книжное издание, 8 статей в периодических сборниках, 3 работы в материалах конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, библиографии, приложений и содержит 137 страниц основного машинописного текста, 41 рисунок, список использованной литературы включает 156 наименований. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Прикладной математики и автоматизированных систем управления» Красноярской государственной академии цветных металлов и золота.
Анализ влияния основных режимных параметров на технологический процесс плавки в РТП
Анализ технологического процесса электроплавки медно-никелевого агломерата в рудно-термических печах показал, что данный процесс относится к взаимосвязанному технологическому процессу и характеризуется одновременным воздействием на объект комплекса управляющих воздействий и случайных возмущений. В качестве основных управляющих воздействий используются электрические параметры и загрузка шихты по отдельным составляющим. Выбор управляющих параметров обусловлен их весомым влиянием на процесс. При выборе управляемых (выходных) параметров выбираем такие параметры, которые характеризуют процесс с различных сторон, т. е. позволяют оценить технологические, энергетические и экономические аспекты.
В связи с этим, основными технико-экономическими показателями процесса электроплавки являются следующие параметры: [1-10]
- потери никеля, меди, кобальта с отвальными шлаками;
- выбросы вредных веществ в атмосферу;
- удельный расход электроэнергии; температура шлака; производительность. Таблица исходных статистических данных приведена в Приложении 1.
Одним из наиболее важных параметров, характеризующих эффективность процесса электроплавки медно-никелевых руд и концентратов, является снижение потерь никеля, меди и кобальта с отвальными шлаками. Концентрация никеля в шлаке, по сути, является показателем эффективности всей системы в целом. Плавка медно-никелевого сырья характеризуется высоким выходом шлаков, с которыми теряются цветные металлы. Поэтому, хотя содержание цветных металлов в шлаке относительно невелико (0.1-0.5%), общие потери составляют внушительную цифру. Снижение содержания никеля в шлаках всего на 0,01 % позволило бы получать не менее 2000 тонн никеля в год. Безвозвратные потери меди и кобальта еще выше. Так как затраты на сырье при электроплавке сульфидного медно-никелевого сырья составляют значительную часть, 85% от общих затрат, то проблема снижения потерь цветных металлов (Ni, Си, Со) с отвальными шлаками является одной из главных в металлургии никеля, решение которой позволит дополнительно увеличить производство товарного никеля и уменьшить его себестоимость.
При электроплавке принято рассматривать три вида потерь цветных металлов в шлаке: химические, физические и механические [5]. При плавке сульфидных медно-никелевых руд и концентратов химические потери связаны с неполным сульфидированием оксидов металлов по реакции:
(МеО) + [FeS] z [MeS] + (FeO) (1.23)
Физические потери связаны с растворением в шлаке сульфидов. Механические потери имеют место при неполном разделении шлака и штейна и возникают вследствие запутывания в шлаке мельчайших капель жидкого штейна. На основании экспериментальных данных установлено, что при электроплавке сульфидных медно-никелевых руд и концентратов механические потери со шлаком составляют, %: 30-40 Ni, 30-40 Си, 40-50 Со [5].
На химические потери цветных металлов со шлаком существенное влияние оказывает содержание кислорода в газовой фазе. Во всех случаях, когда процесс протекает при сравнительно невысоком парциальном давлении кислорода (в нейтральной или восстановительной атмосфере в печи), химические потери никеля, меди и кобальта уменьшаются.
На содержание растворенных цветных металлов большое влияние оказывает состав шлака. Установлено, что с повышением содержания железа в штейне, шлак становится беднее медью, никелем и кобальтом [3-7] за счет восстановления оксидов цветных металлов металлическим железом по реакции (1.21). Тогда как, при заливке больших количеств конвертерного шлака в электропечь увеличивается содержание FeO в шлаке и химические и физические потери никеля, меди и кобальта с ним возрастают [5] по реакции (1.23).
Результаты исследований по выяснению влияния степени металлизации штейнов и шлаков на потери цветных металлов со шлаком при электроплавке агломерированной шихты представлены на рисунке 1.4 [5, 6].
Восстановление цветных металлов из шлака осуществляется как металлическим железом, так и углеродистым восстановителем по реакции (1.12). Добавка в шихту плавки медно-никелевых концентратов небольшого количества (2-3%) углеродистого восстановителя уменьшает потери цветных металлов с отвальным шлаком. Это объясняется тем, что в присутствие восстановителя в шихте, в шлаке не только происходит восстановление ценных металлов, но и уменьшается содержание магнетита вследствие протекания реакции: который повышает вязкость шлака и, вместе с этим, механические потери металлов с ним, а также приводит к резкому увеличению растворимости цветных металлов в шлаке.
Результаты заводских наблюдений показали, что чем больше в газовой фазе диоксида углерода (СО2), тем ниже содержание меди в шлаке [3-10].
Требования предъявляемые к математическому описанию процесса рудно-термической плавки
Под математическим описанием в данном случае предполагается установление функциональной взаимосвязи между входными параметрами (характеристики загружаемого сырья в электропечь, электрические и технологические параметры) и выходными параметрами (качество продуктов плавки, производительность, удельный расход электроэнергии и т. д.).
Большое разнообразие технологических операций процесса рудно-термической плавки, предъявляемые требования к автоматизации производства объясняют разнообразие существующего математического описания.
Математическое описание можно разделить на:
1. аналитическое;
2. экспериментальное;
3. аналитико-экспериментальное.
Для аналитического моделирования характерно то, что процесс функционирования элементов системы (физико-химические превращения, загрузка-выпуск, тепломассоперенос) записываются в виде некоторых функциональных соотношений (алгебраических, дифференциальных, конечно-разностных) или логических условий [43]. Аналитические модели составляются на основе физико-химических превращений. К ним относятся мгновенные балансы потоков веществ и энергии, дифференциальные уравнения и т. д. Такие модели позволяют произвести структурную идентификацию в статике и динамике, учитывают все физико-химические и тепловые процессы в агрегате. Но они обладают рядом недостатков: 1. Дают только качественное изменение характеристик; 2. Существует большая проблема определения коэффициентов дифференциальных уравнений (коэффициенты диффузии, теплопроводности, константа скорости химических реакций и т.д.) ввиду недостатка информации о процессе; 3. Имеют невысокую точность ввиду большой неопределенности определения коэффициентов.
В связи с этим, данные математические модели могут носить преимущественно исследовательский характер, что является недостаточным при разработке экспертной системы, которая, помимо исследовательских функций, должна выполнять функции и оптимизации и прогноза и управления. На основании чего можно сделать вывод, что использование данных моделей в экспертной системе не возможно. Экспериментальные модели строятся на основе экспериментальных данных, снятых с объекта. Для построения моделей такого рода в большинстве случаев используют методы множественного регрессионного анализа [47-52].
Эти модели обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с аналитическими моделями: 1. имеют более высокую точность, так как строятся с учетом экспериментальных данных, снятых непосредственно с объекта; 2. также, как аналитические, учитывают все превращения в агрегате, выраженные зависимостями выхода от входа; 3. исключают использование труднодоступных коэффициентов (коэффициенты диффузии, теплопроводности и т. д.), определение которых является весьма затруднительным; 4. достаточно просты в методике построения и по своей структуре.
Однако, анализ регрессионных моделей показал, что данные модели имеют достаточно большую ошибку и низкую чувствительность, а также не являются устойчивыми для сложных процессов. Наряду с этим, недостатками таких моделей является сложность получения достоверной, полной и точной информации с объекта, невозможность проанализировать критические и предаварийные режимы работы.
Несмотря на то, что данные модели могут использоваться как для целей исследования, так и для целей оптимизации, применение данного метода для специфических условий рудно-термической плавки является нецелесообразным ввиду сложности взаимосвязей между параметрами и воздействия большого количества возмущений, учесть которые данная модель в состоянии только после разработки сложного алгоритма адаптации.
Аналитико-экспериментальные модели объединяют в себе достоинства аналитических и экспериментальных методов моделирования. При их построении учитывается как четкая структура модели, так и коэффициенты, определенные на основе экспериментальных данных.
С учетом рассмотренных методов моделирования и задач, которые должна решать экспертная система, разрабатываемое математическое описание должно отвечать следующим требованиям:
математическая модель должна быть адекватной исследуемому процессу;
математическая модель должна иметь хорошо развитую теоретическую основу;
математическая модель должна быть открытой и должна учитывать возможность получения дополнительной информации;
математическая модель должна иметь большую скорость обработки информации;
математическая модель должна иметь высокую точность расчета;
математическая модель должна рассчитывать параметры, не поддающиеся прямому измерению на действующем агрегате; математическая модель должна обеспечивать прогноз изменения технологических параметров процесса;
математическая модель должна допускать возможность управления в реальном масштабе времени;
математическая модель должна включать те параметры, которые автоматически контролируются на данном агрегате.
Различные аспекты подходов и принципов математического моделирования, а также построения математических моделей в различных отраслях науки и техники были рассмотрены в работах [53-68, 137].
В предыдущей главе было отмечено, что рудно-термическая печь, как объект автоматизации, характеризуется значительным количеством входных, выходных и случайных воздействий, стохастичностью взаимосвязи между ними. При этом, большинство из них в настоящее время не доступны автоматическому контролю. Электроплавка медно-никелевого агломерата в РТП относится к медленно протекающим процессам непрерывного действия и является сложным процессом, где имеют место процессы различной физической природы (электрические, тепловые, физико-химические).
Учитывая особенности данного процесса, был проведен литературный анализ существующих в настоящее время математических моделей [69-84], который позволяет отметить следующее:
В работах [69, 72] представлена методология имитационного моделирования процессов рудной электротермии, где описан основной подход, позволяющий оценить лишь общие принципы построения математических моделей рудно-термической плавки.
Установлено, что значительное количество работ посвящено как разработке математического описания химических, тепловых и электрических процессов, протекающих при электроплавке в РТП медно-никелевых и олово-содержащих материалов, так и разработке базовой математической модели процесса электроплавки [69-84]. Данные модели построены на знании механизма протекания химических реакций, основных законов электрических и тепловых превращений, представляющих собой совокупность дифференциальных уравнений. В них представлены некоторые общие особенности при создании математических моделей, и не учитываются конкретные особенности плавки медно-никелевого концентрата на Норильском горно-металлургическом комбинате (состав сырья, возмущающие воздействия, условия ведения процесса и т. д.).
Разработка блока нечеткого управления для процесса плавки в РТП
Для выработки советов по управлению процессом рудно-термической плавки был ютан блок нечеткого управления (Рисунок 2.26), имеющий следующую структуру: количество входов: 12 количество выходов: Рисунок 2.26 Структурная схема блока нечеткого управления Входные параметры:
количество загружаемого в печь агломерата Gari
количество загружаемого в печь кокса Gc;
количество загружаемого в печь конвертерного шлака GKm;
количество загружаемого в печь кремнезема Gsio2;
напряжение U;
заглубление электродов Нэ;
температура охлаждающей воды Т„;
температура шлака Т;
удельный расход электроэнергии Wy;
производительность П;
потери цветных металлов с отвальными шлаками С ;
расход отходящих газов Gnu. Выходные параметры:
количество загружаемого в печь агломерата G ;
количество загружаемого в печь кокса Gc;
количество загружаемого в печь конвертерного шлака GKm;
количество загружаемого в печь кремнезема Gsi02;
напряжение U;
заглубление электродов Нэ;
расход охлаждающей воды GB.
В качестве входных параметров для данного блока бьши использованы текущие значения параметров, характеризующих состояние технологического процесса.
Для каждого параметра (входных и выходных) на основе экспертной оценки были выбраны функции принадлежности. Пример функции принадлежности для входного параметра Gar представлен на рисунке 2.27. Пример функции принадлежности для выходного параметра Gar представлен на рисунке 2.28.
Рисунок 2.28 Функция принадлежности для выходного параметра Gar
На основании проведенных исследований и анализа литературных данных была составлена база нечетких правил, фрагмент которой представлен ниже: 1. Если (Gar=HopM.) и (G HopM.) и (GKU,=HopM.) и (Gsi02=HopM.) и (и=Норм). и (Н Норм). и (Т„=Норм). и (Т=Норм). и (Wy=HopM). и (П=Норм). и (С№=Норм.) и (Gra3=HopM.) Тогда (Ga,=HopM.) (Gc=HopM.) {GKll]=HopM.) (Gs,o2=HopM.) (U=HopM.) (Нэ=Норм.) (Gfl=HopM.)
2. Если (Т„=Высок.) Тогда (G„=BbicoK.)
3. Если (Gai-=HopM.) и (Gc=HopM.) и (G =Норм.) и (GSj02=HopM.) и (U=Hop.M.) и (Н,=Норм.) и (Т=Низк.) Тогда (и=Высок.)( Нэ=Высок.)
4. Если (Gar=HopM.) и (Gc=HopM.) и (0кш=Низк.) и (GSjo:=BbicoK.) и (Н5=Норм.) и (С№=Высок.) Тогда (GKlb=HopM.)( GSjo:=HopM.)(U=BbicoK.)
5. Если (Gar=HH3K.) и (и=Норм.) и (Т=Норм.) и (П=Низк.) Тогда (Gar=B ысок. )(U=B ысок.)
6. Если (Т=Норм.) и (Wy=BbicoK.) Тогда (и=Низк.)( Нэ=Высок.)
7. Если (Gar=HopM.) и (GS.O BHCOK.) и (1)=Норм.) и (Н,=Высок.) и (Gra3=BbicoK.) Тогда (GSJO2=HH3K.)( Нэ=Норм.)
Разработка структуры программной реализации экспертной системы
Учитывая описанные выше основные требования, была разработана программная реализация экспертной системы процесса плавки в РТП, структурная схема которой представлена на рисунке 3.1.
Информация от входных и выходных потоков печи поступает на программируемые микропроцессорные контроллеры (ПМК). С микропроцессорного котроллера информация поступает в ЭС, где оценивается текущее состояние процесса, рассчитывается его прогнозируемое состояние и вырабатываются рекомендации по дальнейшему управлению. Оператор на основе полученной информации о технологических параметрах и с учетом рекомендаций вводит управляющие воздействия, которые поступаю на МПК.
Разрабатываемая экспертная система обеспечивает следующие режимы работы:
1. режим исследования;
2. режим обучения и контроля знаний;
3. режим советчика;
4. режим супервизорного управления.
Режим исследования предназначен для исследования процесса плавки в РТП, выявления основных его особенностей и порядка технологических операций.
Работа в этом режиме позволяет:
изучить протекание процесса плавки и основные факторы, влияющие на процесс;
определить основные входные и выходные параметры, управляющие воздействия;
познакомиться с порядком выполнения основных технологических операций плавки;
понаблюдать за изменением основных показателей процесса плавки в зависимости от изменения управляющих воздействий:
сымитировать аварийные и предаварийные режимы работы и отработать методику по выходу из них;
ознакомиться с технологическими инструкциями по ведению процесса;
изучить теоретические основы процесса плавки.
Этот режим позволяет легко и наглядно познакомиться с процессом плавки, изучить его особенности, ход технологических операций, влияние управляющих воздействий на эффективность процесса без использования реального технологического оборудования действующей электропечи.
Следующий режим — режим обучения и контроля знаний. Он включает в себя все возможности режима исследования, но также имеет и некоторые собственные особенности. В этом режиме оператору предоставляется возможность не только исследовать процесс плавки, но и попрактиковаться в управлении процессом. Здесь оператор может выбрать два режима работы: режим обучения и режим контроля знаний.
В режиме обучения оператору предоставляется возможность самостоятельно вести процесс, принимая необходимые по ходу решения и нанося управляющие воздействия, а также непрерывно контролировать изменение основных технико-экономических показателей процесса под действием нанесенного управления. При использовании режима обучения на экран монитора вьюодятся подсказки и рекомендации обучаемому и, после окончания сеанса обучения, производится анализ допущенных ошибок.
Режим контроля знаний используется при контроле знаний студентов и сдаче квалификационных экзаменов техническим персоналом металлургических предприятий. В отличие от режима обучения, в режиме контроля знаний ошибки допущенные студентом или мастером вьгоодятся на экран только по окончании сеанса. По окончании процесса управления на экран выводится суммарная оценка, характеризующая эффективность усвоения материала по изучению процесса студентом или эффективность приобретения навыков по управлению процессом технологическим и оперативным персоналом металлургических цехов.
Оба эти режима: режим исследования и режим обучения и контроля знаний позволяют изучить процесс плавки в рудно-термических печах; научиться эффективно управлять процессом плавки; проработать аварийные ситуации, установить причины их возникновения и порядок их ликвидации; получить подготовку для выхода на режим управления реальным технологическим процессом. Все действия проводятся на виртуальной модели, имитирующей реальный технологический процесс. Данные режимы предназначены для повышения квалификации обслуживающего персонала, закрепления навыков управления, что позволяет повысить эффективность управления процессом плавки, а также позволит исключить ряд аварийных ситуаций на нем.
Режимы советчика и супервизорного управления отличаются от исследования и контроля знаний тем, что они работают с реальным технологическим процессом.
В режиме советчика информация о состоянии входных и выходных переменных поступает в ЭС, где производится оценка текущего состояния процесса, рассчитывается его прогнозируемое состояние и вырабатываются рекомендации по дальнейшему управлению. Информация о состоянии процесса и рекомендации по управлению подаются оператору, который на ее основе и собственного опыта вводит управляющие воздействия.
Особенностью данного режима работы экспертной системы является то, что оператор здесь является одним из главных звеньев цепи управления. Он не только следит за ходом технологического процесса, но и оценивает результаты управления и на основании полученных рекомендаций принимает решения по управлению. От оператора в данном случае зависит в целом процесс плавки, поэтому уровень его квалификации, зачастую, является одним из важнейших показателей, которому придается немалое значение.
Режим супервизорного управления является окончательной целью, разработка которого возможна лишь после разработки первых трех. Данный режим по своей сути похож на режим советчика за исключением одной очень важной особенности - функция принятия решений и непосредственного воздействия на реальный технологический процесс принадлежат ЭС. Оператор здесь выступает лишь в роли наблюдателя и субъективного оценщика качества процесса управления. Ему также принадлежит функция готовности в любой момент (если возникнет необходимость) вмешаться в процесс управления в случае аварийного сбоя оборудования или других непредвиденных ситуаций. В остальных же случаях, управление процессом происходит по заданному алгоритму, описанному в режиме советчика, исключая вмешательство оператора, функции которого в данном случае выполняет ЭС.
Реализация режима супервизорного управления представляет собой весьма сложную задачу, требующую разработки точных математических моделей расчета основных технологических параметров процесса, разработки алгоритмов оптимального управления процессом плавки, требует комплексного подхода и является весьма трудоемким и длительным процессом.
Решение задачи создания экспертной системы электроплавки в рудно-термических печах связано с разработкой алгоритма работы системы. Разрабатываемый алгоритм должен учитывать текущее состояние процесса, параметры, контролируемые автоматически, динамику их изменения, производить расчет основных параметров процесса, а также управляющих воздействий, выдавать рекомендации по управлению и т. д.
Алгоритм работы экспертной системы, реализованный в виде блок-схемы, представлен на рисунке 3.2.
Алгоритм управления запускается в работу оператором в одно время с началом плавки, при этом запускается в работу система автоматического управления электрическим режимом и система автоматического управления загрузкой поступающих на плавку компонентов (загрузка шихты, конвертерного шлака и т. д.).
Похожие диссертации на Экспертная система управления процессом рудно-термической плавки
