Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Современное представление доменного процесса 14
1.1. Описание основ исследуемого процесса 17
Строение доменной печи 18
Принципы ведения плавки 23
Аварийные зоны доменной печи 28
Анализ существующих подходов к управлению процессом производства чугуна 32
Обоснование разработки системы управления доменным процессом с использованием принципов поддержки принятия решений 41
Функции и выполняемые задачи 45
Классификация советчиков 49
Применение системы в качестве тренажёра 53
Глава 2. Комплексная логическая модель поддержки принятия
решений по управлению доменным процессом „. 56
Общая характеристика главы 56
Системное проектирование комплексной модели 56
Описание логической модели доменного процесса 66
Составление правил в трёхзначной логике на основе знаний экспертов 76
Проработка правил в булевой логике 84
Алгоритм системы поддержки принятия решений 92
2.4. Балансовая модель Рамма - Похвистнева 95
Входные и выходные параметры 95
Производимые расчёты 97
2.5. Технологическая модель производства чугуна... 98
2.5.1. Входные и выходные значения 99
2.5.2. Расчёты ведения доменной плавки 103
2.6. Физико-химическая модель 104
Входные и выходные параметры перераспределения кремния и марганца 104
Контроль качества продукции 105
2.7. Экономическая модель 107
Глава 3. Разработка пользовательского интерфейса системы
поддержки принятия решений и применение полученных
результатов ПО
3.1. Требования к интерфейсу ПО
Выбор прототипа советчика 112
Средства реализации 113
Внедрение системы поддержки принятия решений по управлению доменным процессом на производстве и в учебном процессе 122
Применение разработанной системы для технологических объектов, соответствующих классу доменной печи 127
Заключение 128
Библиографический список использованной литературы 129
Приложения 136
Введение к работе
Современные производства металлургической промышленности характеризуются резким ростом единичных мощностей, интенсификацией процессов. Как показывает анализ аварий и нештатных ситуаций в сложных системах, до 70-х годов XX века доля аварий по причине техники составляла 80%, а по причине человека 20% [1]. В последнее время, в силу повышения надёжности и функциональности технических средств, ситуация поменялась на обратную. Теперь доля ошибок человека значительно превышает технические сбои, что является следствием переоценки его возможностей как звена в системе управления. Следовательно, необходимо максимально, на сколько это возможно, перевести технологические процессы на уровень автоматизации или обеспечить технолога (оператора) советчиком в качестве системы управления и контроля процессом в безаварийном режиме.
Одним из наиболее опасных высокотемпературных объектов является доменная печь - непрерывно действующий агрегат шахтного типа, предназначенный для выплавки чугуна и ферросплавов [2]. Практикой установлена оптимальная конфигурация внутреннего пространства печи - её профиля. Общая высота внутреннего пространства составляет 25-30 м, а с учетом того, что она несколько приподнята на фундаменте и над колошником установлено загрузочное устройство и газоотводы, то верхняя её точка находится над поверхностью земли на уровне 60-70 м. Течение процесса основано на противотоке шихтовых материалов и горячих газов. Регулирование сверху производится с помощью изменения интенсивности загрузки шихты. Регулирование снизу осуществляется изменением параметров дутья (расход, температура, влажность).
В России первые доменные печи были построены на реке Тулгще (недалеко от г. Тулы) в 1632 г., первый уральский чугун был получен в 1701 г. на Каменском заводе. Однако началом автоматизации доменного процесса можно считать 1937 г., когда А.Н. Похвиснееым (Московский государственный институт стали и сплавов - МГИСиС) был впервые
разработан алгоритм автоматического управления доменной печью. В 1941 г. А.Н. Рамм (Ленинградский государственный технологический институт -ЛГТУ) первый в мире предложил эффективный метод расчета удельного расхода кокса на доменную плавку балансовая модель.
Совершенствование балансовых расчетов было связано с созданием теории теплообмена в доменной печи [3], на основании которой в столбе шихтовых материалов выделяются 3 зоны (ступени) теплообмена. Верхняя и нижняя ступень характеризуется интенсивным теплообменом газа и шихты. В средней части, названной «термически» резервной зоной, теплообмен замедлен. Такой характер протекания теплообменных процессов в современной доменной печи свидетельствует о том, что определяющей в потреблении тепла является нижняя зона. Это привело к созданию зональных тепловых балансов доменной плавки [4, 5].
Стремление создать автоматизированные системы управления доменным процессом привело к разработке комбинированных моделей процесса, балансовые уравнения которых, описывающие базовое протекание процесса, дополняются алгоритмами первичной обработки технологической информации, функциональными моделями, учитывающими динамику процесса и управляющими.
За рубежом для анализа и прогноза показателей доменной плавки при различных ее условиях широко применяется балансовая математическая модель доменного процесса, базирующаяся на зональном подходе Риста к теплообмену, получившая развитие в работах Пней иДевенпорта [6].
К преимуществам данной модели можно отнести простоту и высокую адекватность в части оценки расхода топлива на процесс. При этом модель не требует использования в качестве входных данных комплексных параметров процесса (например, степень прямого восстановления, температуры колошникового газа и т.п.). В то же время ее использование в чистом виде для имитации процесса не представляется возможным, так как она построена
для ограниченных плавок и не позволяет рассчитать производительность печи.
Существенным недостатком балансовых моделей является то, что потери тепла в ней задаются постоянными (на 1м). Также не учитывается влияние на потери тепла размеров печи, а также интенсивности охлаждения и характера газораспределения в печи.
Одни из первых тренажёров в доменной производстве были разработаны в 80-х годах XX в. на базе аналоговых вычислительных машин МН-7 В.А. Доброскоком {МГИСиС) [3]. С начала 90-х годов ведутся разработки экспертных систем в качестве советчиков в Австрии (фирма VAIrori), Финляндии (фирма Rautarnuki), Японии (фирма FirstAlpine) и России (Институт машиноведения УроРАН под руководством д.т.н. Чистова В.П. при консультации МГИСиС) [7-9].
В Институте проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН известны аналогичные работы д.т.н. Челюсткина А.Б. по автоматизации прокатных станов и по горячей прокатке бесшовных труб д.т.н. Райбмана Н. С. (работы удостоены государственных премий). Собственно, методы компьютерной поддержки принятия решений при выполнении технологического регламента производственных процессов для дискретно-непрерывных производств -работы д.т.н. Ицковича Э.Л. Известны работы д.т.н. Буркова В.Н. — разработки и внедрение автоматизированных систем согласованного планирования на металлургических предприятиях. Также известны работы акад. Васильева С.Н. по трехуровневой экспертной системе дуговой сталеплавильной печи [10-14].
Сложность описания изучаемого объекта заключается в том, что он является закрытым и посмотреть, что происходит внутри, не представляется возможным. Накопленные научные знания позволяют соблюдать технологию плавки и являются непременным условием высокопроизводительной и безаварийной работы домны. Однако даже для очень опытного мастера при наличии более 3 параметров возникают затруднения по ведению процесса в
нормальном режиме. Поэтому целесообразно доменные печи оснащать системами управления и контроля, помогающими оператору в каждой конкретной ситуации принимать правильное решение.
Принятие решений - каждодневная деятельность человека, часть его повседневной жизни. Простые, привычные решения человек принимает легко, часто автоматически, не очень задумываясь. В сложных и ответственных случаях он обращается к друзьям, родственникам, опытным и знающим людям за подтверждением своего решения, несогласием с ним или за советом: каким могло бы быть другое решение. Часто обращаются к книгам, в том числе и религиозным, даже астрологии и гаданиям. Такие обращения - это процесс поддержки принятия решения.
Принятие решения в большинстве случаев заключается в генерации возможных альтернатив решений, их оценке и выборе лучшей альтернативы.
Появление подобных систем связано с необходимостью предотвращения аварийных ситуаций и снижения числа простоев на производстве, а также массовой подготовкой специалистов для работы либо на однотипном оборудовании, либо со схожими рабочими действиями. Но только в последней четверти уходящего века с созданием сложнейшей техники, эксплуатация которой связана с риском для жизни, возникла целая индустрия - разработка советчиков и тренажерные технологии.
В настоящее время в Институте проблем управления РАН разработана принципиально новая система поддержки принятия решений (СППР) по управлению доменным процессом на основе комплексной логической модели. Одно из главных требований, предъявляемых к системе, является подобие информационной модели реальному объекту. Данная система совмещает в себе функции советчика мастера металлургического процесса для соблюдения нормального режима работы объекта и получения качественной продукции, а также тренажёра для повышения квалификации персонала и обучения студентов старших курсов вузов технических специальностей.
Разработанная СГШР по управлению доменным процессом в качестве советчика мастера отвечает на вопрос "что произойдёт если..", а также сама анализирует и подсказывает оператору правильность решений; использует принцип гетерогенного моделирования, объединяя несколько разнородных моделей в одну, тем самым предоставляя достаточно полное описание технологического процесса; выдаёт советы оператору по соблюдению нормального режима работы объекта, включая возникновение аварийных ситуаций, и получению качественной продукции. Система в качестве тренажера обучает решению задач с разветвленным деревом допустимых решений, на основе динамической модели, автономной с функциями обучения, тренировки и контроля.
Принципиальное отличие между разработанной системой, советчиком и тренажёром заключается в постановке выполняемых ими задач. Система управления и контроля необходима для соблюдения технологического режима, предотвращения аварийной ситуации, получения качественной продукции. Советчик - для выдачи советов мастеру по ведению технологического режима. Тренажёр для повышения квалификации технологического персонала и обучения студентов старших курсов вузов технических специальностей.
СППР написана на языке программирования Delphi, который относится к объектно-ориентированному подходу программирования.
В качестве модели контроля служит логическая динамическая модель на базе трехзначной логики и технологических инструкций мастеров. Модель рассматривает вопросы безаварийного управления объектом с учётом качества продукции и экономики.
Логическая модель СППР состоит из 16 элементов или логических таблиц и является более совершенной по сравнению с аналогичными системами [8,9] за счёт введения дополнительных показателей плавки чугуна. Так как данная модель основывается на трехзначной логике -предполагается, что нормальные значения наблюдаемых параметров
определены интервалом X, + А, в пределах которого X, принимает значение
"норма" (=). За пределами этого интервала параметр считается "больше нормы" (>) либо "меньше нормы" (<).
Так как современные ЭВМ построены на двоичной логике, то для реализации в ней трехзначной функции представляли в двоичной форме [15]. Под рациональным машинным представлением 3-значных функций представлен результат двухэтапной процедуры: двоичное кодирование функции и их совместное представление в виде обобщенной формы (дизъюнктивной или арифметической). Традиционный подход к двоичному представлению состоит в следующем. Троичная переменная заменяется парой двоичных переменных, имеющих четыре состояния, из которых выбираются три для кодирования. Тем самым всякий троичный (п, т) -полюсник интерпретируется двоичным (2п, 2т) - полюсником. Было показано, что более рационально троичное кодирование, когда полюсник интерпретируется следующим троичным значением (Зп, Зт). Для этого можно выбрать следующее кодирование состояний: меньше нормы — 100; норма — 010; больше нормы — 001.
В диссертационной работе решается задача разработки комплексной модели технологического процесса и ее интеграция в автоматизированную систему поддержки принятия решений с использованием уже существующих расчетных моделей в режиме реального времени.
Суть работы заключается в усовершенствовании и объединении известных моделей доменного процесса в комплексную модель с использованием логической модели поддержки принятия решений как основной. Моделирование заключается в основной работе логической модели и её интеграцией с балансовой и технологической, которые влияют по соответствующим каналам связи на модели: экономическую, физико-химическую и безопасности жизнедеятельности. Контрольной точкой получения результата (качественной продукции) является модель аналитического контроля.
Такая последовательность объединения моделей заключается в решаемых ими задачах. В первую очередь мастеру необходимо рассчитать приход/расход шихтовых материалов (балансовая модель). Во — вторых, определить технические и технологические особенности работы доменной печи при заданном расходе материалов (технологическая модель). Затем, с учетом предыдущих моделей определить перераспределение физико-химических элементов между чугуном и шлаком при заданной температуре и давлении дутья в печи (физико-химическая модель). В итоге, получить расчетные данные по улучшению/ухудшению качества продукции (аналитическая модель). В случае необходимости мастер может провести расчеты по себестоимости получаемой продукции (экономическая модель) и безопасности жизнедеятельности персонала (модель безопасности жизнедеятельности).
Проведенная работа предоставляет возможность мастеру определения точных уставок ведения процесса по существующим управляющим и наблюдаемым параметрам, а также последовательный расчет баланса шихтовых материалов, технологии выплавки чугуна, физико-химического перераспределения элементов между чугуном и шлаком при заданной температуре и давлении дутья, качества продукции.
Модель доменной печи можно считать управляемой, если из любого её состояния существует цепь переходов в нормальный режим функционирования. Контроль управляемости осуществляется путем последовательного перевода модели во все возможные состояния, для каждого из которых формируются варианты управляющих воздействий с условием поддержки принятия решений.
Также был рассмотрен вопрос по затрачиваемому времени на выведение доменной печи из возможного аварийного состояния. Оказалось, что советчик в среднем в 2 + 4 раза быстрее помогает мастеру обработать полученную информацию и провести кардинальные изменения в работе доменной печи.
Впервые система управления и контроля нештатными ситуациями была внедрена в качестве тренажёра в учебный процесс Московского института стали и сплавов (Новотроицкий филиал) в 2007 году. Для студентов кафедры чёрной металлургии были прочитаны лекции и проведены семинарские занятия по курсу "Моделирование объектов и процессов в металлургии", на которых рассматривались вопросы безаварийной работы домны и повышения квалификации обслуживающего персонала. На сегодняшний день данная система имеет свидетельство об официальной регистрации компьютерных программ для ЭВМ (№2007613391) [16].
Итак, цель работы заключается в разработке, исследовании и внедрении комплексной логической модели автоматизированной системы поддержки принятия решений по управлению доменным процессом, обеспечивающей требуемое качество продукции, улучшение ровности хода и технологии плавки, сокращение числа простоев и аварийных ситуаций.
Достижение указанной цели требует решения следующих задач:
разработка логической модели системы поддержки принятия решений (СППР) по управлению доменным процессом, учитывающей технологические инструкции;
для определения уставок логической модели разработка комплексной логической модели СППР на основе аналитических моделей (балансовой, технологической, физико-химической, аналитической, экономической моделей и модели безопасности жизнедеятельности);
разработка программной реализации СППР на основе комплексной логической модели;
внедрение разработанных моделей и программной реализации
СППР в качестве советчика по управлению реальным доменным
процессом для повышения квалификации обслуживающего
персонала, а также в качестве тренажера в учебный процесс вузов
металлургических специальностей.
Для решения поставленных задач использовались методы математической логики, булевой алгебры и алгоритмов, теории принятия решений и проектирования логических схем.
Научная новизна работы определяется следующими основными научными результатами, полученными автором диссертации:
Предложено формальное описание технологических инструкций по управлению доменным процессом в виде набора секвенций, представляющих правила управления объектом.
Разработан метод построения логической структуры принятия решений, используемый для создания СППР по управлению доменным процессом. Метод основан на структурировании правил управления по исполнительным механизмам процесса.
Разработана и обоснована структура связей между моделями (логическая, балансовая, технологическая, физико-химическая, аналитическая, экономическая, безопасности жизнедеятельности) в комплексной логической модели поддержки принятия решений, что предоставляет оператору доменной печи точный и последовательный расчет баланса шихтовых материалов, технологии выплавки чугуна, физико-химического перераспределения элементов между чугуном и шлаком при заданной температуре и давлении дутья, а также параметры качества продукции и эффективности производства.
Разработаны алгоритм получения уставок (на основе анализа технологических инструкций, последовательности набора секвенций и структуры связей между моделями) и алгоритм принятия решений по управлению доменным процессом, соответствующий данным уставкам.
Предложенный в работе подход позволяет повысить производительность доменного процесса (за счёт сокращения времени стабилизации, т.е. времени приведения работы объекта в состояние нормы), поднять уровень безопасности (вследствие прогнозирования и моделирования процессов на ранних стадиях проектирования), а также
предоставляет обслуживающему персоналу дополнительные эффективные средства в качестве советчика для принятия решений в реальных условиях. Предложенная комплексная логическая модель доменного процесса использована в виде компьютерной программы при организации учебного процесса в вузах, в том числе, для создания соответствующих тренажёров операторов доменного процесса. Эффективность разработанной модели подтверждается её реализацией в виде используемого на практике программного комплекса.
Как законченные программные продукты, результаты диссертационной работы официально зарегистрированы в виде программы для ЭВМ (№ 2007613391 "Экспертная система (тренажёр) доменной печи" от 13 августа 2007 г.), а также внедрены в доменных цехах ОАО "Уральская сталь", ОАО "КМЗ", на шахтных печах ОАО "Южуралникель" и в учебном процессе-Московского государственного института стали и сплавов (Новотроицкий филиал), что подтверждено актами и справками о внедрении.
