Введение к работе
Актуальность работы. Отечественный и зарубежный опыт убедительно доказывает, что развитие предприятий металлургического комплекса, решение проблем качества и конкурентоспособности металлопродукции на мировом рынке требуют коренного совершенствования систем сбора, хранения, обработки, передачи и использования информации, применяемой как для управления технологическими процессами, так и для управления производством в целом. 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.
Особое место в этом комплексе технологических операций отводится доменному переделу как самому энергоемкому и сложному, на долю которого приходится до 50 % топлива, используемого в черной 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:
использование современных достижений в области математического моделирования, теории и практики доменной плавки, теории управления при разработке автоматизированных систем управления;
разработка соответствующего математического, алгоритмического и программного обеспечения на основе современных принципов.
Данная работа выполнялась в соответствии с Государственным контрактом Федерального агентства по науке и инновациям министерства образования и науки РФ №02.740.11.0152 «Разработка новой комплексной металлургической технологии производства высококачественных стальных изделий массового назначения».
Цель работы. Совершенствование АСУ доменного производства путем разработки и внедрения автоматизированной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха с использованием математических моделей, алгоритмов и комплекса программ.
Задачи исследования: 1. Разработка функциональной модели автоматизированной информационной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха (АИС АППС ДЦ) с учетом требований инженерно-технологического персонала. Разработка структуры подсистем, реализующих функции АИС АППС ДЦ. 2. Разработка математического, алгоритмического и информационного обеспечения для формирова-
ния набора отчетных показателей работы доменных печей и цеха, решения технологических задач по управлению газодинамическим и шлаковым режимами доменной плавки. 3. Инфологическое моделирование базы данных АИС АППС ДЦ с использованием современной технологии и CASE-средств реализации, обеспечивающих интеграцию системы в существующую информационную структуру металлургического предприятия. 4. Реализация, тестирование и отладка программного обеспечения подсистем сбора, отображения данных, формирования и сопоставления отчетных показателей о работе доменных печей и цеха, модельных систем оценки теплового, газодинамического и шлакового режимов доменной плавки. Внедрение АИС АППС ДЦ в производство.
Методы исследований базируются на структурном анализе, физических закономерностях основных процессов, протекающих в доменной печи, обобщении опыта создания автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами, использовании методов математического моделирования, современных принципах разработки алгоритмического и программного обеспечения, предназначенных для автоматизированного управления сложными технологическими процессами и их комплексами в металлургии.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: 1. Полная функциональная модель автоматизированной информационной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха, которая включает подсистемы сбора, хранения и отображения данных, формирования и сопоставления отчетных показателей о работе доменных печей и цеха, модельных систем оценки теплового, газодинамического и шлакового режимов доменной плавки, диагностики работы доменных печей и прогнозирования технологических ситуаций. 2. Математическое обеспечение систем формирования и сопоставления отчетных показателей работы доменного цеха с учетом требований инженерно-технологического персонала; анализа шлакового и газодинамического режимов работы печей доменного цеха путем учета зоны первичного шлакообразования, возможности раздельного контроля верхнего и нижнего перепадов давлений по высоте доменной печи. 3. Алгоритмическое и программное обеспечение подсистем сбора, отображения данных, формирования и сопоставления отчетных показателей о работе доменных печей и цеха с обеспечением интеграции указанных подсистем в единую АИС АППС ДЦ. 4. Комплекс внешних моделей всех подсистем в виде набора взаимосвязанных ER-диаграмм, полученных на основе инфологического моделирования базы данных АИС АППС, отражающего сущностный и атрибутивный состав базы данных. 5 Даталогическая модель и распределенная система базы данных, базирующаяся на современной технологии и CASE-средствах реализации и охватывающая практически всю сферу производ-
ственной деятельности технологического персонала доменного цеха, с введением системы в корпоративную сеть металлургического предприятия.
Практическая значимость. Разработанные функциональные модели, математическое, алгоритмическое и информационное обеспечение найдут практическое применение: при анализе и прогнозировании производственных ситуаций доменного цеха, решении комплекса технологических задач по управлению технологией выплавки чугуна, что повысит технико-экономические показатели доменного производства; создании и развитии прикладных инструментальных систем исследования, моделировании и обучении с учетом технических возможностей современных систем управления сложными агрегатами и комплексами в металлургии; совершенствовании режимов работы и систем управления технологическими, в частности металлургическими, объектами и их комплексами; разработке автоматизированных рабочих мест инженерно-технологического персонала промышленных предприятий; преподавании дисциплин для студентов вузов соответствующих специальностей.
Достоверность полученных положений, выводов и рекомендаций доказана использованием современных методов, технологии 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.
Использование результатов работы
Программный комплекс внедрен в промышленную эксплуатацию на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс в ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» для подготовки: инженеров по специальности 230201 - Информационные системы и технологии. Направление 654700 - Информационные системы (дипломированные специалисты): «Моделирование процессов и объектов АСУ ТП», «Технология разработки программного обеспечения», «Информационные системы в металлургии»; бакалавров по направлению 150100 - Металлургия, профиль «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей»: «Моделирование процессов и объектов в металлургии», «Информационные технологии в металлургии», «Контроль и управление технологическими процессами».
Личный вклад автора состоит в разработке функциональной модели АИС АППС ДЦ; совершенствовании математического обеспечения подсистем оценки теплового, газодинамического и шлакового режимов доменной плавки; создании алгоритмического и информационного обеспечений подсистем АИС АППС ДЦ; разработке инфологической и даталогиче-
ской моделей базы данных, реализации и отладке программного обеспечения системы.
Предмет защиты. На защиту выносятся: функциональная модель автоматизированной информационной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха, которая включает подсистемы сбора, хранения и отображения данных, формирования и сопоставления отчетных показателей о работе доменных печей и цеха, модельных систем оценки теплового, газодинамического и шлакового режимов доменной плавки; инфологическая и даталогическая модели базы данных АИС АППС ДЦ, включающие в себя комплекс внешних моделей в виде набора взаимосвязанных ER-диаграмм, моделирующих сущностный и атрибутивный состав базы данных доменного производства; математическое, алгоритмическое и программное обеспечение подсистем сбора, хранения и отображения данных, формирования и сопоставления отчетных показателей о работе доменных печей и цеха, модельных систем оценки теплового, газодинамического и шлакового режимов доменной плавки.
Апробация работы. Материалы исследований обсуждены на расширенных научно-практических семинарах в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (кафедра «Теплофизика и информатика в металлургии») и ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (факультет автоматики, информатики и электромеханики), доложены на конференциях: международного уровня: V Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов» (Россия, Москва, 2010); Международном конгрессе «Доменное производство - XXI век» (Россия, Москва, 2010); IV Международной научно-практической конференции «Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении» (Россия, Москва, 2008); III Международном конгрессе «Пече-трубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология» (Россия, Москва, 2008); научно-практической конференции «Творческое наследие Б.И. Китаєва». К 100-летию рождения Б.И. Китаєва (Россия, Екатеринбург, 2009); XVII Международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (Россия, Екатеринбург, 2010); всероссийского уровня: VI и VII Всероссийских научно-практических конференциях «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве AS'2007, AS'2009» (Новокузнецк, 2007, 2009); VII, VIII, IX, X, XI Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); Всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых (Екатеринбург, 2006).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 26 печатных работах, в том числе 9 научных публикациях в изданиях, рекомендованных ВАК, 17 докладах в сборниках трудов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 143 страницах машинописного текста, включая 76 рисунков, 43 таблицы, и состоит из общей характеристики работы, 5 глав, заключения, библиографического списка из 180 источников отечественных и зарубежных авторов, 8 приложений.
