Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса, постановка основных задач диссертационной работы 8
1.1. Тенденции развития информационных систем технологических процессов в металлургии 8
1.2. Состояние и принципы построения автоматизированной информационно-управляющей системы доменной плавки 21
1.3. Модельные системы поддержки принятия решений при выплавке чугуна в доменных печах 31
1.4. Постановка задач диссертационного исследования 42
Глава 2. Разработка автоматизированной информационной системы доменнй плавки 45
2.1. Функциональная модель автоматизированной системы оперативного контроля, управления и анализа доменной плавки 45
2.2. Основные принципы проектирования базы данных 57
2.3. Разработка инфологической и даталогической моделей базы данных 62
2.4. Выводы 73
Глава 3. Совершенствование ма тема тическои модели доменного процесса 75
3.1. Построение концептуальной модели (качественный анализ) 75
3.2. Подсистема теплового состояния доменной печи (SH 79
3.3. Подсистема дутьевого и газодинамического режимов доменной плавки(82) 94
3.4. Подсистема шлакового режима (S3) 102
3.5 Выводы 109
Глава 4. Совершенствование структуры и реализация современной автома тизированной информационно-моделирующей системы доменной плавки 110
4.1.Принципы построения и общая архитектура информационной системы технологических процессов 110
4.2. Принципы построения и общая архитектура информационно - моделирующей системы доменной плавки 118
4.3. Реализация автоматизированной информационно-управляющей системы доменной плавки 128
4.4. Особенности функционирования системы баз данных и характеристика аппаратно-программных средств 139
4.5.Реализация модельной поддержки принятия решения 149
4.6. Выводы 159
Заключение 160
Библиогра фический список 163
Приложения 183
- Состояние и принципы построения автоматизированной информационно-управляющей системы доменной плавки
- Функциональная модель автоматизированной системы оперативного контроля, управления и анализа доменной плавки
- Подсистема дутьевого и газодинамического режимов доменной плавки(82)
- Принципы построения и общая архитектура информационно - моделирующей системы доменной плавки
Состояние и принципы построения автоматизированной информационно-управляющей системы доменной плавки
Доменное производство остается самым энергоемким в черной металлургии и одновременно самым высокоэффективным процессом получения чугуна [54-61].
В доменной печи в качестве шихтовых материалов используют агломерат, окатыши, металлодобавки, кокс, флюсы (обычно известняк), которые загружаются сверху, через колошник печи. Загруженные материалы опускаются сверху вниз, а газы, образующиеся в горне, снизу вверх. Высокотемпературная, восстановительная атмосфера создается в печи в результате подачи высоконагретого, обогащенного кислородом дутья и инжектируемого топлива, обычно природного газа или пылеугольного топлива, через фурмы в нижнюю часть (горн) печи. В горне печи происходит горение кокса и инжектируемого топлива до оксида углерода и водорода. В процессе плавки происходит восстановление различных элементов, в первую очередь железа, а кислород оксидов переходит в газ в виде СО, С02 и Н20. В результате доменного процесса получают продукты плавки - чугун, шлак, колошниковый (доменный) газ и колошниковую пыль.
Под современной технологией доменной плавки понимается комплекс технических приемов и средств их реализации, обеспечивающий выплавку требуемого количества чугуна заданного состава в доменных печах, оснащенных оборудованием и аппаратурой, обеспечивающих бесперебойную подачу шихты, уборку продуктов плавки и эффективное управление процессами при использовании подготовленного сырья и высоконагретого комбинированного дутья при максимальной утилизации продуктов плавки и вторичного сырья. Такая технология должна обеспечивать ровную работу и высокую сохранность доменных печей при максимальной экономичности результатов плавки для данных условий и экологических ограничений.
Современная доменная печь объемом 5000 MJ в сутки выдает 12 тыс. тонн чугуна, 4 тыс. тонн шлака, 20 млн. ы3 колошникового газа. Для производства этого количества чугуна в печь надо подать 23 тыс. тонн железорудного сырья, кокса, 14 млн. MJ горячего дутья и 1,5 млн. м природного газа. Лучшие отечественные доменные печи, оснащенных современными системами автоматизации, характеризуется расходом кокса примерно 400-410 кг/т.чугуна при минимально теоретически допустимом около 300 кг/т.чугуна и удельной производительностью по чугуну 2.5-2,7 T/(MJ сут). За рубежом ряд крупных доменных печей работают с расходом кокса 320-350 кг/т чугуна при удельной производительности 2,5-2,9 T/(MJ сут.) [56,57]. Естественно, что такая огромная концентрация мощности в одном технологическом агрегате и в доменном цехе в целом, не имеющая аналогов не только в металлургии, но и других областях техники, требует научно обоснованных, безошибочных методов управления доменным процессом. Следует, однако, отметить, что кризисные явления в экономике России за последние 10 лет привели к сокращению производства чугуна с 61,4 до 37 млн. тонн в год и увеличению расхода кокса с 469 до 494 кг/т чу руна [54].
Доменная плавка относится к числу непрерывных металлургических процессов, в основу которого положен принцип организованного противотока, что обуславливает высокую экономичность протекания тепловых и массообменных процессов. Так тепловой коэффициент полезного действия доменной печи достигает 90-95%, что значительно выше этого показателя на других металлургических печах. Но для этого необходимо организовать хороший контакт газов с шихтовыми материалами, т.е. необходимо обеспечить рациональное распределение газового потока, что является достаточно сложной задачей. В тоже время доменное производство остается и самым энергоемким, на долю которого приходится около 50% топлива, используемого черной металлургией, а энергетические затраты на выплавку чугуна остаются еще высокими и превосходят теоретические значения. При этом основная доля энергетических затрат приходится на дорогостоящий и дефицитный кокс, на экономию которого и направлены основные мероприятия по совершенствованию технологии плавки. Сегодня уровень технологии доменной плавки, в первую очередь, определяется именно расходом кокса. Особенность доменного процесса заключатся в том, что топливо в нем выполняет различные функции: как источник тепла; как химический реагент-восстановитель; кокс необходим и как механическая насадка в нижней части для фильтрации расплава. Эти разные, зачастую противоречивые, функции кокса приходится учитывать при управлении современной доменной плавкой [58-64, 175, 176].
Доменная печь как управляемая технологическая система: VQ, UQ, YQ отчетные данные о параметрах и показателях работы доменной печи: V -входные воздействия; U - управляющие воздействия; Y - выходные показатели процесса; Zv - неконтролируемые изменения внутренних характеристик процесса; Zyu - неконтролируемые изменения входных и управляющих воздействий;Zy —потери чугуна со скрапом и шлаком, вынос колошниковой пыли; Ц - целевая функция управления; А -- алгоритм управления; О - ограничения режимные параметры, отражающие средние значения контролируемых входных воздействий при установившемся состоянии технологического процесса (V,U); средние значения количественных и качественных показателей технологического процесса (Y); возмущения, которые условно можно разделить на внешние, приложенные к входам и выходам процесса (Zvu, Zy), и внутренние, приложенные к состоянию процесса (Zx). Заметим, что количество контролируемых входных параметров V 150 (с учетом показателей химического состава и массы отдельных компонентов шихты), управляющих воздействий "сверху" и "снизу" U около 10 (система загрузки, дутьевые параметры и т.д.), основных управляемых выходных показателей процесса Y 10. Показателями (целевой функцией, критериями) (Ц) технологической эффективности работы печи, технологического персонала и информационной системы являются; удельный расход кокса, производительность печи, выход кондиционного чугуна по содержанию серы в чугуне, температура жидких продуктов плавки в соответствии с требованиями последующего сталеплавильного производства. При этом должна быть выполнены ограничения (О) на технологию доменной плавки, т.е. обеспечена минимальная вероятности попадания технологии состояния печи в так называемые критические области (критические, аварийные режимы работы).
Функциональная модель автоматизированной системы оперативного контроля, управления и анализа доменной плавки
Математическая модель газодинамики. Практически реализована методика расчета газодинамической сетки и поля скоростей газа с использованием теории функций комплексного переменного при решении задачи о точечном источнике.
Математическая модель теплообмена. Получено аналитическое решение задачи о нагреве слоя при противоточном движении шихты и газа в случае произвольного изменения по высоте печи коэффициента теплоотдачи, теплоемкости потока газа и отношения теплоємкостей потоков шихты и газа, с использованием поля скоростей газа.
Математическая модель восстановления. Выполнено численное решение системы дифференциальных уравнений массообмена и восстановления при введении в нее в явном виде модуля скорости газа, получаемого из математической модели газодинамики, а таюке с учетом зависимости суммарного коэффициента массообмена, как от температуры, гак и от степени восстановления.
Аналогичный подход используется и модели Московского института стали и сплавов [91, 121-123]. В тоже время существуют серьезные проблемы при создании и использовании кинетических моделей этого класса. Прежде всего: из-за отсутствия достаточных данных для достоверного описания процессов, протекающих в нижней части доменной печи. Так, нет надежных данных о зависимости скоростей восстановления железа и кремния от температуры, состава шлака и кокса, о коэффициентах теплоотдачи между газом, коксом и жидкими продуктами плавки, не поддается полному математическому описанию время пребывания чугуна и вспенивающегося шлака между горизонтами перехода в жидкое состояние и уровнем фурм; из-за проблематичности учета влияния неравномерности распределения компонентов шихты и газа, фракционного состава шихты на ход процессов теплопередачи, восстановления оксидов, газификации углерода и т.п.; из-за исключительной сложности решения системы нелинейных уравнений в частных производных при различных граничных и начальных условиях и др. из-за вынужденных существенных упрощений, положенных в основу моделей этого класса, необходимость предварительного определения кинетических характеристик железорудного сырья и соответствующей параметрической настройки модели для конкретных условий доменной плавки ограничивают их практическую применимость для решения задач текущего анализа, прогноза и управления ходом доменной плавки; сложности описания движения шихтовых материалов в доменной печи.
Эти обстоятельства не позволяют устранить основное противоречие этого подхода, а именно: увеличение сложности модели, числа учитываемых факторов не приводят к повышению надежности результатов моделирования.
Подчеркнем дополнительно, что одна из главных проблем математического моделирования доменного процесса связана с разрешением противоречий между сложностью моделируемого процесса и необходимостью решения технологических задач в темпе с процессом за заданный интервал времени с использованием реально имеющейся информации. Как показывает практика, используя полные модели доменного процесса решить эту проблему не удается и определение конечных результатов доменной плавки с использованием прогнозных моделей этого класса дают не большую достоверность, чем некоторые балансовые модели [58, 69, 108].
Дальнейший анализ известных работ, в том числе появившихся в последнее время [78, 95, 100] показывает, что наиболее перспективным для решения технологических задач является разрабатываемый в УГТУ (руководитель - проф., д.т.п. Суханов Е.Л.) модельный подход к расчету теплового состояния доменной плавки, заключающийся в использовании практических данных о работе доменной печи [65, 87, 103, 104, 128,129]. Этот подход предполагает оценку достоверности используемой информации и совершенствование структуры модели. Разработанная в УГТУ-УПИ в рамках натурно - модельного подхода балансовая модель доменного процесса в общем виде представляет собой систему детерминированных зависимостей, характеризующих тепловой режим доменной плавки. Принятая при описании концепция опорно-возмущенного движения позволяет решать как задачи с применением относительно простого математического аппарата, но с использованием физической сущности тепловых процессов, протекающих в доменной печи. Условно модель можно разделить на две части - модель базового состояния и прогнозирующую модель. Модель базового (эталонного) состояния позволяет оценивать тепловое состояние процесса по усредненным показателям за базовый (эталонный) период работы печи. При этом используется фактически доступная информация о работе печи. Прогнозирующая же модель на основании результатов, полученных с помощью модели базового (эталонного) состояния, позволяет оценить показатели доменного процесса в случае изменения условий плавки. В основу натурно - модельного подхода для решения задач текущего анализа, прогноза и управления тепловым состоянием доменной печи положена концепция двухступенчатого развития процессов теплообмена в доменной печи. В соответствии с этой концепцией теплообмен между потоками шихтовых материалов и газов в доменной печи осуществляется последовательно в двух зонах (верхней и нижней), разделенных зоной замедленного теплообмена. При этом считается, что верхняя тепловая зона определяет интенсивность развития процессов косвенного восстановления, а нижняя определяет затраты тепла на прямое восстановление. физический и химический нагрев продуктов плавки. Граница раздела зон теплообмена проходит по изотермической поверхности, температура которой соответствует температуре развития реакции газификации углерода кокса диоксидом углерода (конкретной для каждой технологии), которая составляет 800-900 С. Теплообмен в отдельных зонах характеризуется завершенностью, а тепловая работа зон автономностью. Установившееся в результате теплообмена температурное поле доменной печи определяет развитие основных процессов доменной плавки: восстановление железа и других элементов, формирование состава продуктов плавки, явления в зоне вязко-пластического состояния. Анализ взаимного влияния температурного поля и восстановительных процессов в области шахты доменной печи показал, что влияние температурного поля верхней зоны на тепловое состояние низа печи может быть с достаточной для практического применения точностью оценено через степень прямого восстановления оксидов железа.
Подсистема дутьевого и газодинамического режимов доменной плавки(82)
Заметим, что для реализации этих задач в промышленных системах существуют, в принципе, два конкурирующих направления в технике: индустриальные (промышленные) компьютеры PC и программируемые логические контроллеры PLC.
Индустриальные (промышленные) компьютеры (PQ), как правило, программно совместимы с обычными офисными PC, но адаптированы для жестких условий промышленной эксплуатации. Они должны работать круглосуточно. подвергаясь воздействию окружающей среды, влаги, пыли, вибрации. В качестве устройств сопряжения с объектом управления данные системы комплектуются дополнительными платами (адаптерами) расширения, которые на рынке представлены в большом разнообразии. В качестве операционной системы в промышленных PC, чаще всего, применяется Windows 98/NT/2000, в том числе различные расширения реального времени, специально разработанные для этой операционной системы Windows NT.
Промышленные контроллеры (PLC - Programmable Logic Controller) представляют собой специализированные вычислительные устройства, предназначенные для управления процессом (объектом) в реальном времени.
Много материалов и исследований по промышленной автоматизации посвящено конкуренции двух направлений. Для реализации открытых магистралыю-модульных систем при создании современных автоматизированных информационных системах основная тенденция заключается в следующем: там, где требуется повышенная надежность и управление в реальном масштабе времени, применяют PLC, которые по сравнению с PC общего назначения более устойчивы к зависаниям, обладают детерминированностью поведения, детерминированными реакциями на события реального времени не подвержены атакам программ-вирусов. PLC - являются ответственными компонентами и, в значительной степени, определяют свойства всей АСУ ТП - открытость, модульность, наращиваемость, гибкость, надежность функционирования.
Исследования рынка PLC показывает, что наиболее развитой архитектурой, программным обеспечением и функциональными возможностями обладают контроллеры Siemens, Allen-Bradley, General Electric, Advantech, Octagon Systems, Fanuc Automation, Mitsubishi, SMART, Omron, МИК, TEKOH и другие. Заметим, однако, что реализация системы на основе оборудования и программных средств, поставляемых "под ключ" приборостроительными фирмами гигантами, которые применяют собственную уникальную архитектуру измерительно-вычислительных комплексов (Siemens, Allen-Bradley и ряд других), а в дальнейшем монополизируют ее сопровождение, ремонт и модернизацию, не всегда рациональна. Использование закрытых внутрифирменных стандартов, отсутствие исчерпывающей документации на нее и программные средства навсегда привязывает заказчика к фирме-поставщику и, в конечном счете, требует существенно больших, чем в любом другом варианте, суммарных затрат на создание и эксплуатацию информационных систем.
К аппаратно-программным средствам этого уровня обычно предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Работоспособность указанных устройств в промышленности должна обеспечиваться в относительно жестких условиях эксплуатации (например, повышенные температуры, сильная загрязненность помещений, токопроводящая пыль, наличие агрессивных газов) при непрерывном круглосуточном режиме работы. Для обеспечения надежности работы аппаратуры этого уровня обычно применяются специальные технологические решения [6]. Выбор ОС этого уровня зависит от жесткости требований реального времени. Гак для достаточно большого спектра задач в металлургии можно использовать ОС MS DOS, ОС реального времени OS-9, QNX и др., расширение реального времени для Windows NT - RTX, а также другие ОС общего назначения.
Прикладное программное обеспечение современных PLC, имеющих встроенную операционную систему, может быть разработано как с использованием традиционных инструментальных средств, так и на основе специализированных языковых средствах. Традиционная технология требует от разработчика знаний не только в области использования языков программирования, но и особенностей операционной системы, а также аппаратных возможностей данного контроллера и организации системы ввода, вывода. Потребность в специальных платформо -независимых языках программирования послужила причиной объединения усилий ведущих производителей контроллеров по разработке стандарта на такие языки программирования PLC. В результате появился стандарт IEC 61131-3, специфицирующий синтаксис и мнемонику языков программирования, которые могут применяться для любого PLC.
Средний уровень. Основная задача среднего уровня заключается в сборе информации с различных подсистем и/или контроллеров, их обработка и передача на верхний уровень. Спектр основных функций этого уровня предусматривает: Сбор данных с контроллерного уровня. Обработку данных, включая масштабирование. Синхронизацию работы подсистем. Организацию архивов по выбранным параметрам. Резервирование каналов передачи данных. Средний уровень чаще всего представляет собой станции контроля и регистрации технологических параметров и предназначен для замены регистрирующих приборов. Современный подход к этому уровню - это SCADA система. Кроме того, средний уровень является связующим звеном нижнего и верхнего уровней системы. Аппаратная база этого уровня должна быть более мощной, предусматривающей возможность обмена через промышленные (Fieldbus) и локальные сети общего назначения (обычно Ethernet) с нижним и верхним уровнем. Обычно используют промышленные компьютеры PC совместимой архитектуры, а чаще всего интеллектуальные контроллеры.
Принципы построения и общая архитектура информационно - моделирующей системы доменной плавки
С помощью сети промышленных контроллеров обеспечивается автоматический ввод и контроль основных технологических параметров агломерационного производства и представление его в базе данных. Автоматизированный ввод информации через сервер удаленного доступа осуществляют контролер ОТК и диспетчер агломерационной фабрики. Диспетчер агломерационного цеха имеет возможность просматривать и корректировать введенные в базу данные. Накопленная информация позволяет производить оперативную оценку качества готового агломерата, учет поступления сырья и отгрузки готовой продукции со склада, анализ энергетических и материальных затрат на агломерационное производство; база данных горно-обогатительного производства (ГОП), которая расположена на сервере базы данных ГОП. Здесь в электронном виде хранятся паспорта складов ЦПАШ, агломерационного цеха и РОФ, формируется база сертификатов на привозное сырье, осуществляется копирование (репликация) информации с серверов ЦПАШ, агломерационного цеха и РОФ по поступлению сырья и отгрузке продукции со складов, качеству подготовленной руды и полученного агломерата, производится комплексная оценка материальных и энергетических ресурсов, затраченных на подготовку шихтовых материалов; база данных доменного производства, расположенная на сервере базы данных в вычислительном центре доменного цеха. Здесь накапливается информация о работе каждой доменной печи. база данных железнодорожного транспорта (ЖДТ), которая содержит оперативную информацию о передвижении по территории комбината железнодорожных вагонов с железорудным сырьем, коксом, чугуновозных ковшей, миксеров и др.
При разработке и сопровождении системы баз данных аглодоменного производства особое внимание уделяется надежности ее работы, достоверности вносимых данных и оперативности получения информации. Эти требования обеспечиваются соответствующим выбором и настройкой аппаратно-программных средств, а также повышением уровня квалификации пользователей системы.
Аппаратно-технический уровень системы баз данных аглодоменного производства обеспечивается применением современных компьютеров для сбора и первичной обработки параметров технологических процессов на базе процессоров Intel Pentium 233, оперативной памятью 32 МБ и емкостью жесткого диска 6,4 ГБ, в качестве серверов - компьютеров Intel Pentium II с оперативной памятью 256 Мб и емкостью жесткого диск 6,4 Гб. В качестве физической передающей среды в пределах цеха широко используются экранированная витая пара и волоконно-оптический кабели. Все компьютеры подключены к вычислительной сети аглодоменного цеха, которая для повьпиения общей производительности и иаделшости работы разбита на отдельные логические сегменты (подсети), т.е. является логически структурированной. Взаимодействие между отдельными подсетями организуется с помощью маршрутизаторов, установленных в сетевой стойке вычислительного центра (ВЦ) доменного цеха (рис. 4.10).
Выход сети доменного цеха в корпоративную сеть комбината осуществляется по двум дублирующим друг друга каналам (рис. 4.11).. Основной - по беспроводной технологии, базируется на использовании радио канала на частоте 2,4 GHz и устройства организации радио сети BR 340 фирмы Cisco, позволяющей обеспечивать скорость передачи данных 11 Mb/s. Уместно также заметить, что радио сеть, разработанная и эксплуатируемая специалистами ОАО ММК на сегодняшний день самая крупных на территории России и насчитывает более 50 узловых точек. Второй - проводной, использует выделенный двухжильный канал и основан на использовании высокоскоростных модемов Megabit Modem 768 фирмы PairGain Technologies, Inc и позволяет достигать скорости передачи данных 768 Kb/s. В качестве базовой операционной системы для организации компьютерной сети доменного цеха ОАО ММК используется Windows NT. Управление пользователями в такой системе основано на концепции группового администрирования, когда права на вычислительные ресурсы назначаются не каждому пользователю в отдельности, а целой группе. Под вычислительными ресурсами в данном случае понимается вся совокупность аппаратных, программных и информационных ресурсов доменного цеха. Все компьютеры, подключенные к компьютерной сети цеха, образуют домен управляются специальными компьютерами - серверами, расположенными на территории вычислительного центра (ВЦ) доменного цеха (см. рис. 4.10). Отметим назначение и основные функции серверов ВЦ.
Главный контроллер домена (Primary Domain Controller, PDC) работает под управлением операционной системы Windows NT Server v 4.0. Здесь хранится основная копия базы данных учетных записей (Security Accounts Management Database, SAM), включающей в себя все глобальные группы и учетные записи пользователей и компьютеров доменного цеха. Кроме того, данный сервер используется для аутентификации пользователей, когда они выполняют регистрацию в сети или осуществляют доступ к совместно используемым вычислительным ресурсам. На главном контроллере домена таюке располагаются программные инструментальные средства, используемые для централизованного управления работой сети и обеспечения взаимодействия пользователей сети доменного цеха с пользователями других цехов и служб комбината на основе Internet-технологии. В частности: FTP-cepeep предоставляет услуги по доступу к файлам на удаленной машине в соответствии с протоколом передачи файлов (File Transfer Protocol, FTP).
