автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха

На правах рукописи

Лавров Владислав Васильевич

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИТУАЦИЙ ДОМЕННОГО ЦЕХА

Специальность 05.13:06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

і .::■)} т

Новокузнецк - 2013

005538276

005538276

Работа выполнена на кафедре «Теплофизика и информатика в металлургии» в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (г. Екатеринбург)

Научный консультант: Спирин Николай Александрович,

заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», кафедра «Теплофизика и информатика в металлургии», зав. кафедрой

Официальные оппоненты: Цымбал Валентин Павлович,

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет», профессор;

Дмитриев Андрей Николаевич,

доктор технических наук, профессор,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук», главный научный сотрудник;

Лапин Эдуард Самуилович,

доктор технических наук, профессор,

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет», кафедра автоматики и компьютерных технологий, зав. кафедрой

Ведущая организация ОАО «Научно-исследовательский институт металлургиче-

ской теплотехники «ВНИИМТ» (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится «Ц» декабря 2013 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д212.252.02 в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, Россия, г. Новокузнецк, Кемеровской обл., ул. Кирова, 42, фяк-с (Я 843) 46-57-92. E-mail: sibsiu ais@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет». Автореферат разослан «11» ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

В.Ф. Евтушенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 средне-

сменных 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 АПГГС 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 зашиты. 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 мифологическое 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, 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- и трубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология» (Россия, Екатерин-

бург, 2008); «Творческое наследие Б.И. Китаева» (Россия, Екатеринбург, 2009); «Современные металлические материалы и технологии (СММТ'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, 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 164 печатные работы, в том числе: 2 научные монографии; 28 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 15 — 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В общей характеристике работы сформулированы актуальность исследования, представлены цель и задачи работы, дана характеристика её научной новизны и практической значимости, отражены результаты внедрения работы, приведены структура и объем диссертации.

В первой главе «Состояние вопроса, постановка основных задач диссертационной работы» описываются основные научные проблемы и подходы к их решению. Проведён анализ решения задач управления сложными металлургическими агрегатами на примере доменного производства. Показано, что в настоящее время одним из способов повышения эффективности работы инженерно-технологического персонала доменного производства является использование компьютерных систем поддержки принятия решений. Рассмотрены современные тенденции развития таких систем для решения задач MES-уровня в металлургии. Показано, что их интеллектуальным ядром являются математические модели технологических процессов и производств.

Следует отметить, что в истории науки и техники отечественные учёные-доменщики оказались пионерами в создании систем автоматического управления технологическими процессами в металлургии. Работы по формализации методов управления тепловым режимом доменной плавки, начатые в СССР профессорами В.Н. Андроновым, H.H. Бабарыкиным, A.A. Гиммельфарбом, А.Д. Готлибом, Б.И. Китаевым, М.А. Павловым, А.Н. Похвисневым, А.Н. Рам-мом, М.А. Стефановичем, C.B. Шавриным и др., обеспечили приоритет в мировой науке и практике.

Одна из главных проблем математического моделирования доменного процесса связана с разрешением противоречий между сложностью моделируемого процесса и необходимостью решения технологических задач в одном темпе с процессом за заданный интервал времени с использованием реально имеющейся информации. Как показывает практика, с помощью полных моделей доменного процесса решить эту проблему не удаётся. Определение конечных результатов доменной плавки с использованием прогнозных моделей этого класса даёт не большую достоверность, чем некоторые балансовые модели.

Перспективным для решения рассматриваемых задач оказался натурно-математический подход, разработанный в Сибирском государственном индустриальном университете. Применительно к доменному процессу этот подход использован Б.И. Китаевым и его учениками E.JI. Сухановым и С.А. Загайно-вым. Выполненными ими исследованиями установлено, что модель теплового состояния доменной печи в целом пригодна для решения задач контроля и анализа теплового режима этого агрегата. Однако были выявлены и недостатки: особенности дутьевого, газодинамического и шлакового режимов не находили должного отражения в этой модели, что ограничивало область её практического применения. Используя методологию системных исследований, последующее совершенствование модели доменного процесса путём учёта особенностей дутьевого, газодинамического и шлакового режимов, реально доступной информации о работе доменной печи, исследователи значительно расширили возможности этой модели. Следует особо отметить, что при разработке моделей этих подсистем, параметрической идентификации широко использовались достижения других ведущих отечественных научных школ в области исследования и математического моделирования доменного процесса, а также хорошо проверенные практикой эмпирические уравнения. Однако основой моделей этих подсистем остаются фундаментальные, физические представления о процессах доменной плавки.

На основании проведённого аналитического обзора состояния вопроса сформулирована цель работы и обоснованы задачи исследования.

Во второй главе «Структура и функциональное моделирование системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха» рассмотрены вопросы структурной декомпозиции и функционального моделирования системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха с учётом требований инженерно-технологического персонала.

Структурная декомпозиция выполнена на основе следующих принципов создания современных автоматизированных информационных систем: система

должна решать комплекс взаимосвязанных технологических задач, направленных в конечном итоге на повышение эффективности доменной плавки; обеспечение простоты и лёгкости её использования; наличие в системе модуля администрирования, разделения прав и категорий пользователей; автоматическое наполнение системы данными и передача данных между подсистемами, а также её интеграция в корпоративную сеть предприятия; реализация системы на основе принципов модульного программирования с учётом современных технологий и средств программной реализации.

В результате предложена структура АИС АППС ДЦ, которая включает ряд основных взаимосвязанных подсистем (рис. 1):

- «Сбор, первичная обработка и хранение данных». Основной функцией подсистемы является заполнение базы данных исходными данными, необходимыми для успешного функционирования АИС АППС ДЦ;

- «Визуализация среднесменных и среднесуточных данных о работе доменных печей». Обеспечивает построение графических трендов по выбранным пользователем параметрам в любой комбинации за указанный временной период;

- «Формирование технического отчёта о работе доменных печей и цеха». Подсистема предназначена для формирования технического отчёта о работе печей и цеха в целом за заданные периоды работы печей и цеха;

- «Сопоставление отчётных показателей работы доменных печей и цеха». Обеспечивает возможность сравнения показателей работы цеха или печи по комплексу выбранных параметров за заданный временной период;

- «Модельная поддержка принятия решений, прогнозирование технологических ситуаций и диагностика работы доменных печей». В основу реализации подсистемы положены алгоритмы расчёта с использованием математических моделей доменного процесса для выбранного пользователем периода работы отдельных печей или цеха в целом. Анализ доменного процесса позволяет констатировать, что эта подсистема должна включать следующие взаимосвязанные подсистемы более низкого уровня декомпозиции: расчёта материальных балансов и теплового баланса доменной плавки; шлакового режима; газодинамического режима; теплового режима; диагностики хода доменной плавки; оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов; оптимального выбора состава доменной шихты. Указанные подсистемы охватывают основные явления, свойственные доменному процессу. Каждая из этих подсистем взаимодействует с другими блоками параметров, подсистемами и внешней средой;

- «Визуализация показателей работы доменного производства для OLAP». Подсистема обеспечивает уполномоченным пользователям доступ ко всей отчётной информации по доменному производству с использованием удобных и простых средств представления и работы с этой информацией.

п>-о-

Сбор, первичная обработка и хранение данных

Формирование технического отчета о работе доменных печей и цеха

Сопоставление отчётных показателей работы доменных печей и цеха

Визуализация среднесменных и среднесуточных данных о работе доменных печей

~Т

Модельная поддержка принятия решений

Составление материальных балансов

Баланс Ре

Баланс Ті

баланс Э

Баланс СаО

Бапанс ¿п

Баланс Сг

баланс V

Баланс щелочей

Тепловой баланс

Шлаковый режим

С Газодинамический4* режим )

Тепловой режим

J

Оптимальный состав доменной шихты (^Оптимальное распределение топливно-энергетических ресурсов^)

Прогнозирование технологических ситуаций и диагностика работы доменных печей

Шлаковый режим^ (^^¿Г^) ^Т^войраюмГ)

Оптимальный состав доменной шихты

3

о

Оптимальное

распределение топливно-энергетических ресурсов")

=Г о

а

Е -ш т

із

о. О

5 О

с

а>

6 6

5

Рис. 1. Структурная схема АИС АППС ДЦ: I I - источник данных; представление данных

В основу метода, используемого при создании функциональной модели АИС АППС ДЦ, положены идеи и нотации методики структурного анализа и проектирования ГОЕБО. Использование этой методики позволило создать функциональную структуру программного комплекса, выявить производимые им действия и связи между этими действиями, управляющие воздействия и механизмы выполнения каждой функции.

В результате на основе системного подхода разработана функциональная модель АИС АППС ДЦ для инженерно-технологического персонала доменного цеха, определены основные функции и взаимосвязи между отдельными функциональными блоками. Общее количество декомпозированных блоков функциональной модели АИС АППС ДЦ составляет 152, фрагмент представлен на рис. 2.

ЛЛН№ Пзгрм В.З. РЯЫЕСГ: АИС «ТЛС

МОТбЭ: 123455789 10

ОАТЕ: 03.03 201 НЕ',' 06,02.20121

|

НЕСОММЕШЕО

Автомзтигкроегнкая ХШЬср1-ЯЦИОНЮИ СИСТДИЗ ела-и^а .1 ...ЬУ. -------—- -----

Рис. 2. Первый уровень декомпозиции функциональной модели АИС АППС ДЦ

- Функция «Сбор и обработка данных» (А1) обеспечивает автоматическое наполнение системы данными из АСУ ТП и корпоративной информационной системы (КИС). Сбор первичных данных производится в строго регламентированные моменты времени, которое установлено согласно требованиям инженерно-технологического персонала доменного цеха. Набор подключаемых параметров по конкретной доменной печи определяется условиями технического задания. В обработке данных участвуют работники различных подразделений комбината. Технологический персонал при выполнении этой функции руководствуется соответствующими технологическими инструкциями и руковод-

прлгно»»ро»з>ли1 ороюгодстэац них ситуации аомемкхо цеха

05.02.2012 1в:й'

ствами пользователей существующих автоматизированных рабочих мест. Выходная информация служит источником для всех других подсистем.

- Функция «Визуализация данных» (А2) обеспечивает возможность построения графических трендов фактических и основных технико-экономических показателей работы доменных печей и цеха по среднесменным и суточным данным. Выбор показателей работы осуществляется на основе требований пользователей системы и блока нормативно-справочной информации. Выполнение этой функции обеспечивают главным образом работники технологической группы доменного цеха. Результатом выполнения функции является набор отчётных документов с результатами визуальной оценки, а также численные данные, используемые для построения гистограмм.

- Функция «Технический отчёт» (АЗ) обеспечивает подготовку и формирование всех сведений о работе доменного цеха за календарный месяц или за период с начала текущего года до указанного месяца. Выполнение этой функции обеспечивается сотрудниками технологической группы доменного цеха, информационно-вычислительного центра (ИВЦ) АСУ аглодоменного производства, энергоцеха, центральной лаборатории комбината (ЦЛК), экономистами доменного цеха. Выходом подсистемы являются отчётные документы по основным разделам доменного производства.

- Функция «Сопоставительный анализ» (А4) обеспечивает возможность сравнения отчётных показателей работы доменных печей за месяц или за период с начала календарного года до указанного месяца. Источником данных этой функции являются сведения о работе доменных печей, которые были подготовлены подсистемой «Технический отчёт» и утверждены официально руководством доменного цеха.

- Функция «Анализ и прогнозирование» (А5) позволяет проводить оценку и прогнозирование работы доменных печей и цеха в условиях, когда планируются изменения топливно-сырьевых условий их работы. Входные данные в эту подсистему поступают из подсистем А] и АЗ. Обработку данных производят с помощью специального программного модуля, основу которого составляют математические модели теплового, газодинамического и шлакового режимов доменной плавки. Результаты прогнозной оценки фиксируются в виде специальных табличных и графических форм, экспортированных в популярные форматы отчётных документов.

В диссертации проиллюстрирована методология дальнейшей декомпозиции модели (до третьего уровня включительно) только на рассмотрении функций А2, АЗ, А4 и А5, вклад которых, с точки зрения обработки информации, наиболее существенен для успешного функционирования системы.

Третья глава «Математическое, алгоритмическое и информационное обеспечение решения задач по управлению комплексом доменных печей». На основе анализа требований технологического персонала и нормативно-справочной информации доменного производства для каждого раздела формирования технического отчёта разработано соответствующее математическое и алгоритмическое обеспечение, которое положено в основу программной реализации подсистемы отображения данных о работе отдельных доменных печей и

цеха в целом. Приведены алгоритмы расчёта показателей всех разделов, которые составляют информационный базис технического отчёта.

Структурный системный анализ и проектирование блоков математических моделей выполнены на основе процедурно-ориентированного подхода. Основой данного подхода является использование диаграмм потоков данных ОББ - информационной модели, основными компонентами которой являются потоки данных, переносящие информацию от одного модуля к другому. Нотация метода БИО предполагает разбиение математической модели на отдельные функциональные компоненты (процессы) и представление их в виде сети, связанной потоками данных.

Моделирование свойств первичного ишака включает блоки (рис. 3):

- определения температур начала плавления и конца размягчения железорудных материалов, толщины зоны вязкопластичного состояния материалов;

- расчёта изменения количества и состава первичного шлака по высоте зоны вязкопластичного состояния материалов;

- расчёта изменения вязкости первичного шлака по высоте зоны вязкопластичного состояния материалов.

При расчёте состава и выхода первичного шлака приняты следующие допущения:

1) прямое восстановление оксида железа осуществляется при температуре выше 1000 °С, поэтому содержание монооксида железа при этой температуре (РеОПР) определяется степенью прямого восстановления;

2) зола кокса и флюсы не участвуют в процессах первичного шлакообразования, и поэтому в расчёте состава и выхода шлака эти компоненты не учитываются;

3) связь содержания монооксида железа и температуры расплава представлена экспоненциальной зависимостью.

Расчёт температур начала размягчения и расплавления производился на основе опубликованных в литературе данных и известных эмпирических уравнений. При определении температурного интервала зоны вязкопластичного состояния материалов, толщины вязкопластичного состояния материалов были приняты допущения о том, что газодинамическую напряжённость зоны вязко-пластичных масс создаёт слой железорудных материалов с момента 50 %-ной усадки слоя, а также представление об экспоненциальном изменении температур в пределах нижней ступени теплообмена.

Моделирование свойств конечного шлака включает следующие расчётные блоки: определения выхода, состава и политермы вязкости конечного шлака; расчёта десульфурирующей способности шлака и содержания серы в чугуне; диагностики шлакового режима.

В основу расчета выхода и состава шлака (содержание в шлаке СаО, БЮг, А120з, МпО, N^0, ТЮ2) положены уравнения материальных балансов основных химических элементов и их соединений. Выход шлака рассчитывается по балансу шлакообразующих элементов.

основные показатели работы печи; химический, гранулометрический состаз и расходы компонентов доменной шихты; параметры комбинированного дутья; состав и давление колошникового газа; составы чугуна и шлака; свойства кокса; .НСИ

'температуры начала, конца размягчения; температурный интервал плавления железорудных материалов; толщина зоны вяз ко п л астич н ого состояния материалов;

состав шлака при температурах начала плавления и расплавления ЖРМ; , политермы вязкости шлака

выход и состав шлака; вязкость шлака при различных температурах, политермы вязкости; масса серы, вносимая в печь; коэффициент распределения серы

виды, весовые доли, химические и гранулометрические составы железорудных материалов и флюсов;

физические свойства и химический состав кокса; параметры комбинированного дутья; проектный состаз чугуна (кроме серы}

удельные расходы железорудных материалов; производительность печи; удельный расход кокса

Да

Моделирование процесса с другими параметрами?

С

Конец

3

Рис. 3. Блок-схема расчёта параметров шлакового режима доменной плавки

В основе аналитического расчёта вязкости шлака лежат математическая обработка диаграммы тройной шлаковой системы СаО-АЬОз-БЮг при температурах 1400 и 1500 °С в области реальных значений доменных шлаков и известная зависимость вязкости гомогенных шлаковых расплавов от температуры. Предусмотрено введение поправки на содержание в шлаке других оксидов (МяО и др.).

Оценка десулъфурирующей способности шлака и прогнозирование содержания серы в чугуне. В основе прогнозирования изменения содержания серы в чугуне лежит баланс серы, который составляется из всех серосодержащих компонентов шихты, шлака и чугуна.

Диагностика шлакового режима. Способ диагностики шлакового режима при плавке передельного чугуна заключается в следующем:

- если вязкость шлака при его температуре т]шл находится в пределах 0,2-0,5 Па-с, то шлак имеет нормальную вязкость при температуре шлака;

- если вязкость шлака при его температуре т]шл превышает ЛшГ = 0,5 Па-с, то вязкость шлака превышает допустимые пределы для нормального режима плавки. Режим работы печи затруднён;

- если вязкость шлака при температуре шлака меньше г|™" = 0,2 Па-с, то шлак характеризуется малой вязкостью, обладает высокой агрессивностью к огнеупорной кладке и разрушает гарнисаж;

- если уменьшение вязкости шлака при увеличении температуры шлака на 1 °С в диапазоне его вязкости 2,5-0,7 Па-с (градиент вязкости,

Д 2,5 /

/ш ~ Па-с/°С, то шлак относится к типу «коротких». Возможно загромождение горна, образование настылей, застывание шлака в желобах. Режим работы печи затруднён.

Моделирование газодинамического режима. Целью моделирования является оценка влияния параметров дутья и загружаемой шихты на перепад давления в доменной печи. В основе моделирования процессов газодинамики лежит общеизвестное линеаризованное уравнение Эгона, позволяющее оценить влияние параметров шихты, газа, расплава и характера взаимодействия между этими потоками. В качестве показателя предельной степени форсировки домеЕшой плавки дутьём служит степень уравновешивания шихты газовым потоком (СУ). Установлено, что задержки в сходе шихты с последующими самопроизвольными обрывами происходят для условий работы доменных печей ОАО «ММК» при превышении значения СУ = 0,55. Расчёт изменения производительности печи в прогнозном периоде осуществляется, исходя из условия сохранения СУ шихты на прежнем уровне. При этом расчёт выполняется с учётом изменения свойств шихтовых материалов и расплава. На рис. 4 показана блок-схема расчёта газодинамического режима доменной плавки.

Оптимальное распределение топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей, в частности инжектируемого топлива и технологического кислорода, в пределах группы доменных печей является актуальной задачей, по-

скольку технологические показатели работы отдельных печей существенно различаются. При заданном на доменный цех общем расходе этих ресурсов целесообразно иметь оперативную методику оценки эффективности использования указанных ресурсов на доменных печах и осуществлять их оптимальное распределение.

^ Начало ^

/

Ввод параметров и блока НСИ

т

Расчет

газодинамических характеристик нижней зоны доменной печи

І

Расчет

газодинамически* характеристик верхней зоны доменной печи

Расчет параметре в газодинамики в базовом периоде

/

т

Ввод параметров в проектной пери оде

Расчет и сопоставление газодинамических параметров в базовом и гроеюном периодах

конструктивные размеры печи; режимные параметры и параметры дутья; параметры шихты; продукты плавки; ^НСИ

выход и состав горнового газа; теоретическая температура горения; плотность горнового газа и скорость его фильтрации;

лорозность коксовой насадки (с учетом шлака); коэффициент сопротивления слоя в нижней части печи;

ш нижний перепад давления ' скорость фильтрации газа в верхней зоне печи; эквивалентный диаметр куска шихты; лорозность слоя шихтовых материалов; коэффициент сопротивления слоя в верхней части печи;

верхний перепад давления;

степень уравновешивания шихты газовым

потоком;

расчет критических газодинамических . параметров

' определение предельной степени форсировки плавки дутьем для установленных параметров , шихты и дутьевого режима в базовом периоде

гранулометрический состав; агломерата;

гранулометрический состав кокса; параметры комбинированного дутья; удельный выход шлака

верхний перепад давления (база, проект); нижний перепад давления (база, проект); общий перепад давления (база, проект); расход дутья (база, проею); зависимость перепада давления от раосода дутья (база, проект); определение предельной степени форсировки плавки дутьем для проектных параметров шихты и дутьевого режима

Рис. 4. Блок-схема расчёта газодинамического режима доменной плавки

Постановка задачи оптимального распределения природного газа и технологического кислорода в группе доменных печей проиллюстрирована на рис. 5. На рис. 6 отражена блок-схема решения задачи оптимизации распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей.

Тепловое состояние верхней зоны печи: (отношение теплоемкостей потоков шихты и газа в верхней ступени теплообмена)

т ,

Показатель теплового состояния низа печи

■»min ^ гч отах

О • <0 • < о1

хш — Хш - V]

Hl

Содержание кремния в чугуне

SL,mra <Si, <Si™x

Газодинамический режим (степень уравновешивания шихты газовым потоком)

С™'" < С, <С["ах

Качество чугуна (содержание серы в чугуне)

ginin < g С ginax

Теоретическая температура горения

'рш in _ ■ |- ^ шах

Ограничения на работу цеха:

- по расходу кокса <Ку

- по расходу природного газа

- по расходу кислорода

- по производству чугуна > П^-

Природный газ Vj""

Кислород в дутье Vf

Прямые ограничения на печи:

- на расход природного газа

v1T. <v!r<vnr

imin— v i — ппах

- на расход кислорода

Рис. 5. К постановке задачи распределения топливно-энергетических ресурсов в фуппе доменных печей

Рис. 6. Блок-схема решения задачи оптимизации распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей

В отличие от известных работ, в данной постановке в значительно большей степени учтены ограничения по тепловой работе «верха» (ш) и «низа» (р„, Т) печи, химическому нагреву (содержание в чугуне 81), качеству чугуна (содержание в чугуне Б), газодинамическим характеристикам работы печи (Су). При этом предельно допустимые значения величин, т.е. численные значения

тплиртплп Л/пг Л7ПГ V02 V02 П™" Пшах Т™п Т1™* я;т'° с;™» щ™" т1™"

параметров чт<1, ут1П |, , у» > », > . -Ч . о1! > т,- > т1 >

§тп ^ ^ Стт ^ стм ^ определяются методом экспертных оценок, что позволяет

осуществлять настройку модели на реальный процесс путём формализации опыта инженерно-технического и технологического персонала. Расчёт коэффициентов, определяющих приращения этих параметров при единичных изменениях расходов природного газа, технологического кислорода, кокса и производительности, осуществляется по модели доменного процесса УрФУ.

Оптимальный состав доменной шихты. Блок-схема решения задачи расчёта оптимального состава доменной шихты отражена на рис. 7. Оптимизационная модель включает в себя два основных компонента: целевую функцию и технологические ограничения на каждую доменную печь.

Рис. 7. Последовательность решения задачи расчёта оптимального состава

доменной шихты

Предусмотрены следующие варианты целевых функций:

- заданная основность конечного шлака:

Z = B-> Взд , (!)

где i - индекс вида шихтовых материалов; х1ш- вектор, характеризующий виды, расходы и химический состав i-x материалов доменной шихты; Х| ш eGSa-ограничения на параметры шихты заполнения, т.е. виды, химические составы, физические свойства загружаемых шихтовых материалов; Gs — область допустимых решений параметров шихты;

- минимум содержания серы в чугуне:

Z = [S] -> min ; (2)

X j „, еО 4 '

- минимум удельного расхода кокса:

Z = K-> min ; (3)

- максимум производительности:

Z = Р -» max . (4)

Формирование технологических ограничений предусматривает учёт и математическое описание ограничений на тепловой, газодинамический и шлаковый режимы плавки. В общем случае ограничения сводятся к следующему: реализация рационального газодинамического режима; обеспечение нормального шлакового режима; получение чугуна с допустимым содержанием в нем серы.

Ограничения на тепловой режим. При выборе ограничивающих факторов, характеризующих тепловой режим, предварительно отметим, что расход кокса в проектном периоде определялся с использованием корректировочных коэффициентов, что обеспечивает баланс тепла в целом по печи (или в лимитирующей нижней зоне печи). В связи с этим в качестве дополнительного параметра выбрана теоретическая температура горения на фурмах:

Ттт < Т(ХД) < Тгак, XÄeG„a, (5)

где Хд - вектор, характеризующий вид, расход и состав дутьевых параметров (влажность дутья, расход природного газа, технологического кислорода); Gx> —

области допустимых значений параметров дутья; Tmm, Tma* - минимально и максимально допустимые значения теоретической температуры горения, СС.

Ограничения на газодинамический режим. При выборе дутьевых параметров (вектора Хд), состава и свойств шихтовых материалов (вектора Х11Ц) следует учитывать то обстоятельство, что не должен нарушаться газодинамический режим доменной плавки. Математически это означает, что степень уравновешивания шихты газовым потоком СУ(Х1ш,Хл) не должна превышать максимально допустимого значения СУКР:

СУ(Х(1Ц|,ХД)<СУКР. (6)

Параметр СУкр является настройкой модели.

Ограничения па шлаковый режим:

1) величина вязкости конечного шлака при температуре 1400 °С, ri1400, находится в интервале

Л^^Лноо^ХДт))^^, (7)

где Л1400 > U1400 ~ постоянные величины, минимально и максимально допустимые вязкости при температуре 1400 °С (при 1400 °С обеспечивается движение шлака через коксовую насадку);

2) величина вязкости конечного шлака при температуре 1500 °С, г)1500,

находится в интервале: « **(*)) (8)

где л ¡500 ' Л Tsoo - постоянные величины, минимально и максимально допустимые вязкости при температуре 1500 °С (ограничение обусловлено тем, что температуру 1500 °С имеет выпускаемый из печи конечный шлак);

3) градиенты вязкости не превышают допустимых значений:

Дл? < (Дп?Г, (9)

Aril- * (ДтСГ, (10)

где Дп" = 25~7 - градиент-1 вязкости шлака, численно равный уменьшению 17 t7

шл шл

вязкости шлака при увеличении температуры шлака на 1 °С в диапазоне вязкости шлака 2,5-0,7 Па-с, Па-с/°С; ДлЦ ~ градиент-2 вязкости шлака,

1500-1400

численно равный изменению вязкости шлака при изменении температуры шлака на 1 °С в пределах 1400-1500 °С, Па-с/°С; Ц2/)™", (дrfZY"* ~ постоянные величины, максимально допустимые величины соответственно градиента-1 и градиента-2 вязкости шлака, Па-с/°С.

Ограничения на качество выплавляемого чугуна. Оценивается по содержанию серы в чугуне Й(ХЫ,ХД). Оно не должно превышать допустимого предела^:

ИСХ^Х.) < [sL- ^ (И)

Ограничения на условие шихтовки. Сумма весовых долей компонентов G* железорудной части шихты равна единице, т.е.

¿G,-=l. 02)

i.i

Разработанное обеспечение позволяет формировать полный набор отчётных показателей работы доменных печей и цеха и решать технологические задачи по управлению тепловым, газодинамическим и шлаковым режимами доменной плавки.

В четвертой главе «Разработка и описание программных приложений для решения задач управления комплексом доменных печей» рассмотрены вопросы реализации АИС АППС ДЦ.

На рис. 8 продемонстрирована архитектура программной реализации АИС АППС ДЦ, в которой выделены основные компоненты - база данных и набор клиентских приложений подсистем. В зависимости от требований отдельных подсистем возможно реализовать различные периоды усреднения данных в базе с помощью механизмов СУБД. Предложенная архитектура системы обеспечивает заданную функциональность, выполнение требований предметной области, относительно простое расширение и изменение системы, возможность автономной реализации отдельных программных модулей и их независимость от структуры хранения данных.

Серверы

■ ІііІ Центральной

шЦ диспетчерской ШИ К0Мбината (ЦДК)

Серверы АСУ ТП Серверы АСУ ДЦ

Серверы корпоративной і информационной

ы(КИС)

База данных информационно-вычислительного центра с£> доменного цеха

Рис. 8. Архитектура программной реализации АИС АППС ДЦ

В качестве источника данных всех подсистем выступает централизованная база данных доменного производства. В процессе функционирования подсистемы производится регулярное автоматическое наполнение этой базы ¿з серверов АСУ ТП и АСУ ДЦ показателями работы всех доменных печей, усреднёнными по сменам и за сутки.

Выполнен анализ подсистем и согласно особенностям их функционального назначения разработаны соответствующие инф о логические (концептуальные) модели базы данных доменного производства. Концептуальная модель базы данных включает в себя набор внешних моделей, каждая из которых отражает отдельный аспект доменного производства и используется системой для реализации соответствующих функций. Учитывая специфику технологии плавки, особенности доменной печи как объекта информационных систем, требования к содержанию и качеству предоставляемой информации по оперативному учёту производства доменных печей, выделены основные и вспомогательные сущности, определены схемы отношений между сущностями с указанием типа

связи между ними, определены ключевые и неключевые атрибуты сущностей. В дальнейшем на основе концептуальной модели данных была сгенерирована даталогическая структура базы данных доменного цеха. Для представления структуры информационных блоков использованы ER-диаграммы (диаграммы «сущность-связь»), созданные с помощью программного продукта ERwin Data Modeler.

Обобщённая структура базы данных подсистемы формирования технического отчёта представлена на рис. 9.

Физические свойства, химический состав и расходы загружаемых шихтовых материалов

Производство жидких продуктов плавки

Простои и тихий ход печей

_j Подсистема визуализации

1—[У [ данных о работе

і доменных печей

Подсистема формирования технического отчета

Подсистема

сопоставительного анализа работы доменных печей и ! цеха

Подсистема модельной поддержки принятая решений

Подсистема диагностики работы доменных печей и прогнозирования технологических ситуаций

Рис. 9. Обобщённая структура базы данных АИС АППС ДЦ

Программное обеспечение модуля визуализации и сопоставительного анализа данных предназначено для предоставления пользователю возможности автоматизированного ввода, хранения, обработки, манипулирования и представления в удобном виде технологических данных о состоянии печей доменного цеха; количестве и качестве полученного чугуна; выполнении графиков; расходе, остатках, химическом составе сырья; качестве кокса.

Предусмотрено решение следующих задач:

- автоматизированный сбор и подготовка необходимых отчётных данных о работе доменного цеха за нормативный период (месяц), а также произвольно указанный пользователем период работы. В качестве источников данных могут выступать результаты работы АРМов доменных печей; централизованные информационные ресурсы центра АСУ комбината;

- представление в удобной табличной и графической форме показателей работы доменного цеха и отдельных печей в соответствии с информационными потребностями пользователя;

- автоматический поиск и отображение показателей работы, которые выходят за границы допустимых величин; диагностика режимов работы, автоматизированный поиск и оперативное отображение возможных факторов нарушения технологических режимов доменной плавки;

- сравнение результатов работы печей и цеха по фактическим данным за два произвольно выбранных периода работы.

Программное обеспечение модуля формирования технического отчёта обеспечивает подготовку и формирование всех сведений о работе доменного цеха за календарный месяц или за период с начала года до указанного месяца. Разработанная архитектура программного модуля подсистемы и перечень основных разделов технического отчёта представлены на рис. 10.

.IX

База данных

ИВЦДЦ И

Центральный диспетчерский комплекс (ЦДК)

Цеховая система АСУ ДЦ

Экономисты ДЦ

Участок доменной группы

металлургической теплотехники

Химическая лаборатория ДЦ

Центральная лаборатория комбината (ЦЛК)

Модуль формирования технического отчета

Выплавка чугуна

Простои и тихий ход печей

Химический состав и другие показатели качества сырья

Качество кокса

3

Сведения о ремонте печей ^ ( Ковшевое хозяйство цеха

Ґ Сведения о состоянии печей,

оборудования и замена і приборов

^Выполнение графика выпуаа^

( Характеристика режима | ( работы воздухонагревателей )

С Баланс чугуна по цеху ^ (" Баланс железа по цеху _) С Отходы и потери чугуна (Использование шлака по цеху)

С

Рабочие кадры

3

(

Технологические показатели

Э I

Использование колошниковой пыли

Отображение данных | { Формирование на форме I отчета

6

Технологическая группа ДЦ

Технический отчет доменного цеха

Рис. 10. Архитектура подсистемы формирования технического отчёта

АИС АППС ДІД

С помощью отдельного программного модуля подсистемы производится настройка прав различным категориям пользователей.

Подсистема модельной поддержки принятия решений, диагностики работы доменных печей и прогнозирования технологических ситуаций включает в себя блоки: расчёта материального и теплового балансов; моделирования теплового, шлакового и газодинамического режимов работы доменных печей и прогнозирования технологических ситуаций; оптимального распределения топ-

ливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей; оптимального выбора состава доменной шихты.

Структура моделей подсистемы диагностики работы печей и прогнозирования технологических ситуаций представлена на рис. 11.

В основу модели положен натурно-модельный подход. Интервал усреднения исходных данных для модельной оценки базового режима составляет один месяц, поскольку предусматривается решение задач управления технологией доменной плавки в масштабе цеха, за этот же период осуществляется формирование технического отчёта доменного цеха. Продолжительность прогнозируемого периода составляет также один месяц, что обусловлено принятым на предприятии, имеющем доменное производство, временным интервалом планирования работы и составления технологической карты работы отдельных печей и цеха в целом.

Необходимость блока «Настройка» в структуре модели, включающего подсистемы «Нормативно-справочная информация», «Корректировочные коэффициенты», «Настройка диагностики», обусловлена требованиями настройки модели на конкретные условия функционирования системы. Обосновано, что в рамках решаемых в работе задач для учёта влияния свойств железорудного сырья, кокса и параметров комбинированного дутья достаточно использовать нормативные коэффициенты расчёта расхода кокса и производительности печи. В основе этого анализа лежат количественные соотношения между изменившимися параметрами (факторами) и удельным расходом кокса и производительностью доменных печей.

Программное обеспечение модуля «Расчёт материального и теплового балансов доменной плавки» имеет следующие функциональные возможности: настройка исходных данных на реальные показатели доменного процесса; составление материального и теплового балансов для конкретного варианта исходных данных; прогноз влияния различных мероприятий на удельные показатели расхода кокса и расчёт экономии тепла в конкретных технологических условиях.

Программное обеспечение модуля оценки газодинамического режима доменной плавки позволяет выполнить две основные задачи:

- диагностику газодинамического режима доменной плавки по фактическим показателям работы печи в базовом периоде: расчёт газодинамических характеристик слоя шихтовых материалов, оценку скоростей фильтрации газа, изменения порозности шихты, степени уравновешивания шихты газовым потоком и зависимость перепадов давления от расхода дутья раздельно для верхней и нижней зон печи;

- прогнозирование газодинамического режима при изменении расхода дутья, параметров комбинированного дутья, параметров загружаемой шихты, уровня засыпи и давления колошникового газа. Возможно задание любой комбинации указанных воздействий.

Программное обеспечение подсистемы оценки шлакового режима доменной плавки предназначено для решения следующих технологических задач:

Настройка пакета

• нормативно-справочная информация;

• корректировочные коэффициенты;

• настройка диагностики

Базовый период:

• основные показатели работы печи; •химический, гранулометрический состав и расходы компонентов доменной шихты;

• параметры комбинированного дутья;

• состав и давление колошникового газа;

• составы чугуна и шлака;

• свойства кокса

Проектный период:

• виды, весовые доли, химические и гранулометрические составы железорудных материалов и флюсов;

• физические свойства и химический состав кокса;

• параметры комбинированного дутья ;

• проектный состав чугуна (кроме серы)

Зона первичного шлакообразования:

' температуры начала, конца размягчен*я, температурный интервал ллэзления железорудных материалов;

• толщина зоны вяэколластичного состояния материалов;

• состав шлака при температурах начала плавления и расплавления ЖРМ,

• политермы вязкости шлака

Состав и свойства конечного шлака:

• выход и состав шпака;

• вязкость шлака при различных температурах, политермы вязкости;

• масса серы, вносимая в печь, коэффициент распределения серы

1

Газодинамические параметры:

«эквивалентный диаметр, породность слоя шихты, коэффициент сопротивления шихты, степень уравновешивания шихты газовым потоком; • критический расход дутъя и перепады давления

Тепловой режим:

• прогнозирование удельного расхода кокса

Балансы:

• расчеты удельной массы прихода и расхода элементов: Г е. Э. 2п, Ст. V, "Л, СаО, щелочей

Оптимальный состав доменной шихты:

• расчет соотношения шихтовых материалов; - расчет расхода флюсов;

• расчет основности агломерата

Распределение топливно-энергетических ресурсов в доменном цехе: • расчет оптимального распределения природного газа и кислорода в группе доменных печей в базовом периоде

] Зона первичного шлакообразования

і (аналогично базовому периоду)

Состав и свойства конечного шлака

] (аналогично базовому периоду) + коэффициент п распределения содержание серы в чугуне

Диагностика режимов:

шлакового, газодинамического, теплового; оптимальный состав доменной шихты; оптимальное распределение природного газа и кислорода в группе доменных печей; сопоставление показателей

Ю

Газодинамические параметры

(аналогично базовому периоду)

I Показатели плавки:

| • удельные расходы И железорудных материалов; ■ производительность печи; I • удельный расход кокса

Тепловой режим

гі {аналогично базовому периоду)

Балансы

(аналогично базовому периоду)

к Оптимальный состав доменной шихты

(аналогично базовому периоду)

I Распределение топливно-энергетических ресурсов в доменном цехе 1_

(аналогично базовому периоду)

Рис. 11. Структура подсистемы диагностики работы печей и прогнозирования технологических ситуаций АИС АППС ДЦ

- оценки и диагностики свойств шлака при заданных расходах, составах железорудных компонентов доменной шихты, флюсующих материалов и параметров процесса;

- расчёта требуемого расхода одного из флюсующих материалов при изменении сырьевых условий и параметров процесса для получения шлака с заданными свойствами;

- определения требуемого соотношения компонентов железорудной части шихты при изменении сырьевых условий и параметров процесса для получения доменного шлака с заданными свойствами.

С помощью программного обеспечения подсистемы выполнен анализ шлакового режима различных периодов работы доменного цеха ОАО «ММК» и разработаны рекомендации по корректировке состава железорудной части шихты, дутьевых параметров.

Программное обеспечение подсистемы расчёта оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей позволяет решать задачи оптимального распределения расхода природного газа и кислорода в следующих технологических ситуациях:

- при изменении объёма ресурсов по расходу природного газа и кислорода для цеха в целом;

- для определения максимального объёма ресурсов комбинированного дутья, которое может использовать комплекс доменных печей;

- при изменении ресурса по объёму кокса, имеющегося в распоряжении

цеха;

- при изменении требований задания на объем выплавляемого чугуна комплексом доменных печей;

- при изменении конъюнктуры рынка, т.е. требований обеспечения максимума экономии кокса, обеспечения максимума производства, экономичности работы комплекса печей, цен на топливно-энергетические ресурсы и т.п.

Проверка модели произведена на основе данных работы доменного цеха ОАО «ММК». Анализ результатов показал, что оптимизационная модель совместного распределения природного газа и кислорода позволяет эффективно использовать имеющиеся топливно-энергетические ресурсы с учётом технологических ограничений на работу отдельных печей и цеха в целом.

Программное обеспечение подсистемы расчёта оптимального состава доменной шихты предусматривает решение следующих технологических задач:

- подбор оптимального соотношения долей агломерата ОАО «ММК» и одного из видов привозных окатышей (из выпадающего списка выбирается материал, с помощью которого должна производиться корректировка шихты для получения заданной основности шлака);

- подбор расхода одного из видов флюсующих материалов (из выпадающего списка выбирается вид флюса, с помощью которого должна производиться корректировка шихты для получения заданной основности шлака);

- подбор химии (основности) агломерата в проектном периоде при заданных расходах или долях железорудных материалов и флюсов.

В пятой главе «Разработка системы отображения отчётных показателей доменного производства в корпоративной сети предприятия» рассмотрены этапы создания системы на основе использования системы управления базами данных Microsoft SQL Server 2005 и встроенного в неё инструмента Reporting Services. Reporting Services представляет собой набор служб, web-приложений и баз данных, объединённых для того, чтобы создать среду для управления корпоративными отчётами. В ходе работы созданы:

- архитектура системы разработки, распространения и хранения отчётных показателей доменного производства в корпоративной сети предприятия на основе службы Reporting Services СУБД Microsoft SQL Server;

- процессы автоматического наполнения (по расписанию раз в месяц) спроектированной и реализованной на сервере базы данных отчётными сведениями по основным разделам доменного производства из системы подготовки технического отчёта доменного производства. Транспортировка данных происходит с помощью пакета Integration Services конструктора отчётов в среде Business Intelligence Development Studio;

- шаблоны интерактивных отчётов, которые позволяют отображать в численном и графическом виде свыше 200 показателей работы доменных печей за произвольный период их работы, а также производить анализ технологических задач. Разработка внешнего вида отчётов (шаблонов) осуществлена в среде Business Intelligence Development Studio, интегрированной с Microsoft SQL Server 2005. Выполнено развёртывание системы интерактивных отчётов в корпоративной сети предприятия.

На рис. 12 представлена архитектура разработанной системы, где отображены набор внешних моделей базы данных и перечень созданных отчётов. Доступ к серверу отчётов определяется настройками безопасности, которые осуществляет администратор базы Центра АСУ данных доменного производства. Готовый отчёт может поступать пользователям в различных форматах, например в виде HTML-отчёта для web-браузеров (например, Internet Explorer) или формата офисных документов (например, Microsoft Office Excel). Дополнительной возможностью доставки отчётов пользователям является процедура подписки - в этом случае он будет автоматически получать отчёт через заданный период времени по электронной почте.

В шестой главе «Использование АИС АППС ДЦ для решения технологических задач доменного производства» выполнен анализ шлакового режима доменных печей ОАО «ММК» за 2004-2011 гг., который позволил обосновать выбор шлакового режима для заданного состава доменной шихты. Установлено, что работа доменных печей в период 2004-2006 гг., когда глинозём в доменных шлаках составлял 10-12,5 %, проводилась на нормальных шлаках с основностью выше 1,04, что в целом обеспечило ровную работу доменных печей. В период 2007-2011 гг. доменные печи работали на кислых шлаках с основностью ниже 1,0 и содержанием в них глинозёма 12,9-13,3 %, что не являлось оптимальным и привело к ухудшению технико-экономических показателей доменной плавки (ухудшение качества чугуна по содержанию в нём серы, повышение текущих простоев и, как следствие, снижение производительности печей

и повышение удельного расхода кокса). Как показали результаты расчётного анализа, если бы в период 2007-2011 гг. при всех прочих условиях для работы печей была возможность иметь оптимальный шлаковый режим, то можно было бы снизить расход кокса на 15 кг/т и повысить суточную производительность на 325 т.

Внешние модели базы данных ( Производство чугуна {

Технологические показатели

Качество кокса

Химический состав шихтовых материалов

| Удельные расходы материалов и ресурсов

Материальные балансы чугуна, Ре, в, СаО, Сг. Ті, 2п

Баланс природного газа

Тепловой баланс

[Шлаковый режим доменной плавки | Газодинамика доменной плавки

| Выпуски чугуна

| Простои доменных печей

Состояние оборудования

[ Ковше вое хозяйство

Каталог отчетов

г Технические отчеты ДЦ ч

Таблицы Графики J

Технологические задачи

Анализ производства чугуна

Анализ качества кокса

Анализ качества чугуна

Анализ состава и качества шихты

Анализ выноса колошниковой пыли и выхода шлама

Анализ газодинамического режима

Анализ шлакового режима

Анализ теплового баланса

Анализ балансовых статей железа

Анализ балансовых статей цинка

Анализ параметров дутея и интенсивности плавки

Рис. 12. Архитектура системы отображения показателей работы доменного цеха в корпоративной сети предприятия

Далее в главе на примере анализа фактических показателей доменной печи № 2 в разные годы её работы обоснована возможность применения разработанного алгоритма диагностики шлакового режима для прогнозирования оптимального состава конечного шлака в меняющихся сырьевых условиях для любой из печей и в целом для доменного цеха ОАО «ММК».

Таким образом, разработанная система позволяет на основе имеющейся фактической отчётной информации осуществлять анализ и прогнозирование производственных ситуаций в доменном цехе, а также решать следующие технологические задачи: оценку теплового, газодинамического и шлакового режимов доменной плавки при изменении сырьевых и дутьевых параметров; расчёт материальных и тепловых балансов доменной плавки; оптимальное распределение топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей; выбор оптимального состава доменной шихты. Созданная система внедрена в промышленную эксплуатацию в доменном цехе ОАО «ММК».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основе разработки и применения научно обоснованных методов и алгоритмов создана автоматизированная система анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха, внедрение которой имеет важное хозяйственное значение и вносит значительный вклад в развитие экономики страны. Основные выводы, теоретические и практически значимые результаты диссертационной работы.

1. Разработан подход к созданию автоматизированной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха. Основу данного подхода составляют: особенности управления доменной плавкой 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, расчёта материальных и тепловых балансов 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 с использованием САБЕ-средств, а также проектирование расчётных блоков математических моделей на основе принципов структурного системного анализа и формализации процедурно-ориентированного подхода в виде диаграмм потоков данных ОТО; конкретные результаты исследования и внедрения автоматизированной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха.

2. Создана 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 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; расчёта материальных балансов элементов и теплового баланса доменной плавки; оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей; оптимального состава доменной шихты.

3. Реализованы 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; корректировка режимных и конструктивных параметров печей, входящих в рассматриваемую группу; 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, 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 с использованием удобных и простых средств представления и работы с этой информацией.

4. Разработано алгоритмическое обеспечение интегрированных подсистем АИС АППС ДЦ, выполненное на основе инфологического моделирования базы данных серверной части системы в виде набора взаимосвязанных ER-диаграмм с использованием CASE-средств проектирования; принципов структурного системного анализа и формализации процедурно-ориентированного подхода в виде диаграмм потоков данных 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. Предложены и обоснованы методы анализа шлакового режима доменных печей, что позволяет использовать разработанный алгоритм диагностики шлакового режима для прогнозирования оптимального состава конечного шлака в меняющихся сырьевых условиях для любой из печей и в целом для доменного цеха.

6. Разработанная система анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха передана Центру АСУ на сопровождение и внедрена в промышленную эксплуатацию доменного производства ОАО «ММК». Использование АИС АППС ДЦ позволит в конечном итоге повысить эффективность принятия решений инженерно-техническим персоналом в условиях нестабильности состава и качества проплавляемого железорудного сырья и кокса в доменных печах при изменении конъюнктуры рынка. Материалы работы внедрены в учебный процесс в ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» для преподавания дисциплин инженерного и информационного профилей.

Основное публикации по теме диссертации Монографии

1. Компьютерные методы моделирования доменного процесса / О.П. Оно-рин, H.A. Спирин, В.Л. Терентьев, Л.Ю. Гилева, В.Ю. Рыболовлев, И.Е. Коса-ченко, В.В. Лавров, A.B. Терентьев; под ред. H.A. Спирина. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. 301 с.

2. Модельные системы поддержки принятия решений в АСУ ТП доменной плавки / H.A. Спирин, В.В. Лавров, В.Ю. Рыболовлев, A.B. Краснобаев, О.П. Онорин, И.Е. Косаченко; под ред. H.A. Спирина. Екатеринбург: УрФУ, 2011.462 с.

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ

3. Распределение технологического кислорода между печами доменного цеха / H.A. Спирин, Ю.В. Федулов, Ю.Н. Овчинников, В.В. Лавров // Известия вузов. Чёрная металлургия. 1993. № 11/12. С. 68-72.

4. Прогноз теплового состояния низа доменной печи по температуре фурменной зоны / Ю.В. Федулов, A.M. Поляков, H.A. Спирин, В.В. Лавров // Известия вузов. Чёрная металлургия. 1995. № 5. С. 54-56.

5. Прогноз температурных полей газа и материала в шахте доменной печи / H.A. Спирин, B.C. Новиков, Ю.В. Федулов, B.C. Швыдкий, В.В. Лавров // Сталь. 1995. № 12. С. 12-16.

6. Диагностика футеровки доменной печи с использованием модели ее нестационарного теплообмена / B.C. Швыдкий, Ю.В. Федулов, H.A. Спирин, В.В. Лавров // Известия вузов. Чёрная металлургия. 1997. № 8. С. 40^3.

7. Диагностика состояния футеровки доменных печей по температурному полю кладки / H.A. Спирин, Ю.В. Федулов, B.C. Новиков, B.C. Швыдкий, В.В. Лавров//Сталь. 1997. №10. С. 13-16.

8. Математическое моделирование теплообмена в фурменном очаге доменной печи / H.A. Спирин, B.C. Швыдкий, Ю.Н. Овчинников, В.В. Лавров // Известия вузов. Чёрная металлургия. 1998. № 4. С. 51-54.

9. Контроль температур шихты и газа в шахте доменной печи / H.A. Спирин, B.C. Швыдкий, В.В. Лавров, Д.В. Швыдкий, A.A. Гусев // Сталь. 1998. № 7. С. 15-18.

10. Модельное исследование температуры стенки воздушной фурмы доменной печи / В.В. Лавров, H.A. Спирин, В.Ю. Рыболовлев // Известия вузов. Чёрная металлургия. 2000. № 2. С. 46-49.

11. Компьютерные методы моделирования газодинамического и шлакового режима доменной плавки / О.П. Онорин, H.A. Спирин, В.В. Лавров // Сталь. 2005. №6. С. 55-58.

12. Модельная поддержка принятия решений распределения природного газа и кислорода в доменном производстве / В.В. Лавров, И.А. Бабин, H.A. Спирин // Известия вузов. Чёрная металлургия. 2007. № 12. С. 46-49.

13. Повышение эффективности работы доменного цеха за счёт оптимального использования топливно-энергетических ресурсов / В.В. Лавров, H.A. Спирин, И.А. Бабин, А.И. Перминов, A.A. Бурыкин // Сталь. 2008. № 4. С. 10-14.

14. Решение технологических задач выбора состава железорудного сырья в аглодоменном производстве с использованием современных информационно-моделирующих систем / H.A. Спирин, А.И. Перминов, В.В. Лавров,

B.Ю. Рыболовлев, A.B. Краснобаев, И.А. Бабин // Новые огнеупоры. 2008. № 4. С. 59-64.

15. Решение задач управления сырьевыми ресурсами сложных энергонасыщенных комплексов в металлургии в условиях экономического кризиса (на примере доменного производства) / H.A. Спирин, В.Ю. Рыболовлев, В.В. Лавров, A.B. Краснобаев, A.A. Бурыкин // Новые огнеупоры. 2009. № 9.

C. 45-52.

16. Разработка программного комплекса автоматизированного рабочего места технолога доменного цеха с использованием современных информационных технологий / В.В. Лавров, A.A. Бурыкин, А.И. Перминов, A.B. Краснобаев, H.A. Спирин // Автоматизация и современные технологии. 2009. № 8. С. 11-17.

17. Создание программного комплекса «АРМ технолога доменного цеха» на основе современных информационных технологий / В.В. Лавров, H.A. Спирин,

A.A. Бурыкин, A.B. Краснобаев // Сталь. 2010. № 1. С. 17-21.

18. Технология и средства разработки информационно-моделирующих систем для решения технологических задач в металлургии / H.A. Спирин, В.В. Лавров, A.A. Бурыкин, A.B. Краснобаев, А.Г. Быков // Известия Томского политехнического университета. 2010. Т. 316, № 5. С. 156-162.

19. Разработка и программная реализация комплекса математических моделей для управления пуском доменной печи / H.A. Спирин, К.А. Щипанов,

B.В. Лавров, И.Е. Косаченко // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2010. №4. С. 119-121.

20. Комплекс модельных систем поддержки принятия решений для управления технологией доменной плавки / Н.А. Спирин, В.В. Лавров, В.Ю. Рыбо-ловлев, А.В. Краснобаев, И.Е. Косаченко, А.А. Бурыкин // Металлург. 2010. № 9. С. 29-32.

21. Разработка системы отображения отчётных показателей доменного производства на основе Reporting Services / В.В. Лавров, Н.А. Спирин, А.А. Бурыкин, А.В. Краснобаев // Известия Томского политехнического университета. 2010. Т. 317, №5. С. 68-73.

22. Разработка функциональной модели автоматизированной информационной системы анализа и прогнозирования работы доменного цеха / В.В. Лавров, Н.А. Спирин, А.А. Бурыкин, А.В. Краснобаев, Н.В. Новикова // Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 318, № 5. С. 137-143.

23. Реализация модельных систем поддержки принятия решений для управления технологией доменной плавки / В.В. Лавров, Н.А. Спирин, А.А. Полинов, А.В. Краснобаев, И.Е. Косаченко, О.П. Онорин // Сталь. 2011. № 9. С. 11-14.

24. Использование управляемого программного кода на платформе .NET Framework при разработке автоматизированной информационной системы анализа и прогнозирования работы доменного цеха / В.В. Лавров, Н.А. Спирин,

A.А. Бурыкин, В.Ю. Рыболовлев, А.В. Краснобаев // Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 319, № 5. С. 92-97.

25. Проблемы создания современных информационно-моделирующих систем технологических процессов в металлургии / В.Ю. Рыболовлев, А.В. Краснобаев, Н.А. Спирин, В.В. Лавров // Известия вузов. Чёрная металлургия. 2012. № 10. С. 61-65.

26. Разработка и внедрение автоматизированной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха на ОАО «ММК» /

B.Ю. Рыболовлев, В.В. Лавров, А.В. Краснобаев, Н.А. Спирин // Известия вузов. Чёрная металлургия. 2012. № 12. С. 62-66.

27. Технология и средства разработки программного обеспечения информационно-моделирующих систем для решения технологических задач доменного производства / В.В. Лавров, Н.А. Спирин, А.А. Бурыкин, А.В. Краснобаев // Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах: международный сборник научных трудов. Магнитогорск, 2012.

C. 147-152.

28. Разработка информационно-моделирующей системы расчёта оптимального состава доменной шихты / В.В. Лавров, Н.А. Спирин, Е.А. Девятых, В.Ю. Рыболовлев, А.В. Краснобаев // Автоматизация и современные технологии. 2013. №3. С. 15-20.

29. Оценка формы зоны вязкопластичных масс железорудных материалов в доменной печи методом математического моделирования / О. П. Онорин, Н. А. Спирин, В. В. Лавров, И. Е. Косаченко, В. Ю. Рыболовлев И Известия вузов. Чёрная металлургия. 2013. № 4. С. 34-38.

30. Разработка моделирующей системы расчёта теплообменных процессов и оценки параметров зоны вязкопластичного состояния железорудных материалов в доменной печи / В.В. Лавров, Н.А. Спирин, А.А. Бурыкин, О.П. Онорин,

И.Е. Косаченко, A.B. Краснобаев, В.Ю. Рыболовлев // Известия вузов. Чёрная металлургия. 2013. № 6. С. 24-29.

Патенты

31. Пат. SU 1838743 A3. Российская Федерация, МКИ F27 D 19/00, 21/04. Способ контроля работы печи / Спирин H.A., Новиков B.C., Федулов Ю.В., Мадисон В.В., Принц М.Я., Лавров В.В., Сафронов М.Ф., Овчинников Ю.Н., Гордон Я.М., Цветков А.Б. №5012652/02 (077077); заявл. 22.11.1991; опубл. 30.08.1993, Бюл.№ 32.

32. Пат. RU 2025495 С1. Российская Федерация, МКИ С21 В 7/24. Способ контроля теплообмена в доменной печи / Спирин H.A., Новиков B.C., Сафронов М.Ф., Швыдкий B.C., Ярошенко Ю.Г., Лавров В.В., Овчинников Ю.Н. №504989/02 (026888); заявл. 4.06.1992; опубл. 30.12.1994, Бюл. № 24.

33. Пат. RU 2095422 С1. Российская Федерация, МПК С21 В 7/24. Способ контроля температуры шихтовых материалов / Спирин H.A., Новиков B.C., Федулов Ю.В., Швыдкий B.C., Лавров В.В. Заявл. 13.12.1995; опубл. 10.11.1997, Бюл. №31.

34. Пат. RU 2479633 С1. Российская Федерация, МПК С21 В 5/00 (2006.01). Способ ведения доменной плавки / Спирин H.A., Лавров В.В., Онорин О.П., Чевычелов A.B., Бегинюк В.А., Косаченко И.Е., Рыболовлев В.Ю., Краснобаев A.B., Гилева Л.Ю. Заявл. 12.08.2011; опубл. 20.04.2013, Бюл. №11.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ и баз данных

35. Свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614644. Технический отчёт доменного цеха / В.В. Лавров, H.A. Спирин, A.A. Бурыкин. Заявл. 17.11.2011; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 24.05.2012 (РФ).

36. Свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612256. Информационно-моделирующая система газодинамического режима доменной плавки / В.В. Лавров, H.A. Спирин. Заявл. 18.11.2011; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 29.02.2012 (РФ).

37. Свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612257. Оптимизация распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей / В.В. Лавров, H.A. Спирин. Заявл. 18.11.2011; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 29.02.2012 (РФ).

38. Свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612258. Расчет теплового баланса доменной печи / В.В. Лавров, H.A. Спирин. Заявл. 18.11.2011; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 29.02.2012 (РФ).

39. Свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612259. Настройка автоматизированного рабочего места инженерно-технологического персонала доменного цеха / В.В. Лавров, H.A. Спирин. Заявл. 18.11.2011; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 29.02.2012 (РФ).

40. Свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612260. Отображение динамики изменения среднесменных и среднесу-

точных показателей работы доменных печей / В.В. Лавров, H.A. Спирин. Заявл. 18.11.2011; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 29.02.2012 (РФ).

41. Свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612261. Информационно-моделирующая система шлакового режима доменной плавки / В.В, Лавров, H.A. Спирин, A.A. Бурыкин. Заявл. 18.11.2011; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 29.02.2012 (РФ).

42. Свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612262. Визуализация отчетных показателей работы доменного цеха в корпоративной сети предприятия / В.В. Лавров, H.A. Спирин. Заявл. 18.11.2011; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 29.02.2012 (РФ).

43. Свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612263. Сравнение отчетных показателей работы доменного цеха /В.В. Лавров, H.A. Спирин, A.A. Бурыкин. Заявл. 18.11.2011; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 29.02.2012 (РФ).

44. Свидетельство государственной регистрации базы данных №

2013620900. Визуализация отчётных показателей работы доменного цеха в корпоративной сети предприятия / В.В. Лавров, H.A. Спирин, П.Ю. Довженко, A.A. Бурыкин, В.Ю. Рыболовлев, A.B. Краснобаев. Заявл. 07.11.2012; зарегистрировано в реестре баз данных 08.08.2013 (РФ).

45. Свидетельство государственной регистрации базы данных № 2013620846. Настройка приложений автоматизированного рабочего места инженерно-технологического персонала доменного цеха / В.В. Лавров, H.A. Спй-рин, A.A. Бурыкин, П.Ю. Довженко, В.Ю. Рыболовлев, A.B. Краснобаев. Заявл. 07.11.2012; зарегистрировано в реестре баз данных 24.07.2013 (РФ).

46. Свидетельство государственной регистрации базы данных № 2013620899. Технический отчет доменного цеха / В.В. Лавров, H.A. Спирин, П.Ю. Довженко, A.A. Бурыкин, В.Ю. Рыболовлев, A.B. Краснобаев. Заявл. 07.11.2012; зарегистрировано в реестре баз данных 08.08.2013 (РФ).

47. Свидетельство государственной регистрации базы данных №

2013620896. Сравнение отчётных показателей и решение технологических задач доменного производства / В.В. Лавров, H.A. Спирин, A.A. Бурыкин, П.Ю. Довженко, В.Ю. Рыболовлев, A.B. Краснобаев. Заявл. 07.11.2012; зарегистрировано в реестре баз данных 08.08.2013 (РФ).

48. Свидетельство государственной регистрации базы данных №

2013620897. Показатели теплового баланса доменных печей / В.В. Лавров, H.A. Спирин, A.A. Бурыкин. Заявл. 07.11.2012; зарегистрировано в реестре баз данных 08.08.2013 (РФ).

49. Свидетельство государственной регистрации базы данных №

2013620898. Показатели шлакового режима доменной плавки / В.В. Лавров, H.A. Спирин, A.A. Бурыкин. Заявл. 07.11.2012; зарегистрировано в реестре баз данных 08.08.2013 (РФ).

50. Свидетельство государственной регистрации базы данных №

2013620901. Показатели газодинамического режима доменной плавки /• В.В. Лавров, H.A. Спирин, A.A. Бурыкин. Заявл. 07.11.2012; зарегистрировано в реестре баз данных 08.08.2013 (РФ).

51. Свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013617315. Информационно-моделирующая система выбора оптимального состава доменной шихты / В.В. Лавров, Н.А. Спирин, А.А. Бурыкин, Е.А. Девятых. Заявл. 18.11.2011; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 08.08.2013 (РФ).

Публикации в зарубежных изданиях

52. Prediction of temperature fields of gas and materials in shaft of blast furnace / N.A. Spirin, V.S. Novikov, Yu.y. Fedulov, V.S. Shvydkij, V.V. Lavrov // Steel in Translation. 1995. № 12. P. 12-16.

53. The optimal utilization of fuel power resources in blast furnace production / N.Spirin, V.Novikov, J.Ovchinnikov, V.Shvydkiy, V.Lavrov // Collection of Materials of Intern. Seminar «Modeling, advanced proess technology, expert and control systems of heat and mass transfer phenomena». Ekaterinburg: USTU. Russia, 1996. P. 75-76.

54. A Diagnostics System for Refractory Lining Conditions in Metallurgical Furnaces / Y.Gordon, N.Spirin, V.Svidkiy, Yu, Yaroshenko, V.Lavrov // Advanced Technology Symposium «Extending Blast Furnace Campaign Life». Radisson at Kingston Plantation Myrtle Beach. South Carolina. 1997. November 16-18.

55. Diagnostics of the current state of the blast furnace lining using the lining temperature field / N.A. Spirin, Yu.V. Fedulov, V.S. Novikov, V.S. Shvydkij, V.V. Lavrov // Steel in Translation. 1997. No 10. P. 13-16.

56. Methods of mathematical modeling for the analysis of blast-furnace smelting / N.A. Spirin, V.S.Shvydkii, Yu.V. Fedulov, V.S. Novikov, V.V. Lavrov // Metallurgist. 1997. Vol. 41, No 12. P. 426-427.

57. Mathematical modeling of heat transfer in blast furnace raceway / N.A. Spirin, V.S. Shvydkii, Yu.N. Ovchinnikov, V.V. Lavrov, A.A. Gusev // Steel in Translation. 1998. Vol. 28, No. 4. P. 5-8.

58. Blast Furnace Models to Analyze Raceway Zone Formation and to Predict Lining Life / Y.Gordon, V.Shvidkiy, Yu.Yaroshenko, N.Spirin, V.Lavrov, D.Shvidkiy // 2nd International Congress on the Science and Technology of Ironmak-ing and 57th Ironmaking Conference Proceedings. Vol. 57. Toronto Meeting. 1998. March. 22-25. P. 351-361.

59. The Analysis of Phenomena in Tuyere Zone of Blast Furnace / V.Shvidkiy, Yu.Yaroshenko, Ya.Gordon, N.Spirin, V.Lavrov, D.Shvidkiy // Mathematical Modeling, Control and Advanced Technological Processes. Series: Heart and Mass Transfer, Energy and Environment. Collection of scientific works. Ekaterinburg. Russia. 1999.No. LP. 89-104.

60. Selecting the optimal natural-gas and oxygen distribution in blast furnaces by means of a model / V.V. Lavrov, I.A. Babin, N.A. Spirin // Steel in Translation. 2007. Vol. 37, No. 12. P. 998-1001.

61. Current Data Simulation Systems and Composition Choice for Iron Ore in Blast Furnace Production / N.A. Spirin, A.I. Perminov, V.V. Lavrov, V.Yu. Rybolovlev, A.V. Krasnobaev, I.A. Babin // Refractories and Industrial Ceramics. 2008. Vol. 49, No. 3. P. 221-224.

62. Creation of software for blast-furnace workstations on the basis of up-to-date information technology / V.V. Lavrov, N.A. Spirin, A.A. Burykin, A.V. Krasnobaev // Steel in translation. 2010. Vol. 40, No. 1. P. 31-34.

63. Complex of model systems for supporting decisions made in managing blastfurnace smelting technology / N.A. Spirin, V.V. Lavrov, A.A. Burykin, V.Yu. Ry-bolovlev, A.V. Krasnobaev, I.E. Kosachenko // Metallurgist. 2011. Vol. 54, No. 9-10. P. 566-569.

64. Information and simulation systems in metallurgical technology / V.Yu. Ry-bolovlev, A.V. Krasnobaev, N.A. Spirin, V.V. Lavrov // Steel in Translation. 2012. Vol. 42, iss. 10. P. 716-720.

65. Simulation of heat-transfer processes and assessment of the viscoplastic parameters of iron ore in blast furnaces / V.V.Lavrov, N.A. Spirin, A.A.Buiykin, O.P.Onorin, I.E.Kosachenko, A.V.Krasnobaev, V.Yu.Rybolovlev // Steel in Translation. 2013. Vol. 43, iss. 4. P. 171-175.

66. Assessing the shape of the viscoplastic iron-ore zone in a blast furnace / O. P. Onorin, N. A. Spirin, V. V. Lavrov, I. E. Kosachenko, V. Yu. Rybolovlev. Steel in Translation. 2013. Vol. 43, iss. 6. P. 335-340.

Подписано в печать Бумага писчая.

Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 2,33. Заказ 363.

Плоская печать. Тираж 100 экз.

Ризография НИЧ УрФУ, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» Институт материаловедения и металлургии

Лавров Владислав Васильевич

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИТУАЦИЙ ДОМЕННОГО ЦЕХА

Специальность 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант -Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Спирин Николай Александрович

Екатеринбург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ...................................... 10

Глава 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ОСНОВНЫХ

ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ........................... 21

1.1 Особенности управления доменной плавкой

в современных условиях........................................................................................21

1.2 Современные тенденции развития компьютерных

систем поддержки принятия решений для решения задач МЕБ-уровня в металлургии......................................... 29

1.3 Математическое моделирование в исследовании

доменного процесса.................................................. 34

1.4 Современные модели разработки прикладного

программного обеспечения, применяемые для создания

систем поддержки и принятия решений.......................... 44

1.5 Постановка задач диссертационного исследования............ 51

Глава 2 СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

СИСТЕМЫ АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИТУАЦИЙ ДОМЕННОГО ЦЕХА ... 53

2.1 Основные требования к разработке и особенности

построения АИС АППС ДЦ........................................ 53

2.2 Разработка функциональной структуры АИС АППС ДЦ...... 56

2.3 Функциональная модель АИС АППС ДЦ......................... 59

2.4 Разработка структуры подсистемы сбора

и хранения данных......................................................................................................73

2.5 Разработка структуры подсистемы визуализации

среднесменных и среднесуточных показателей работы доменных печей......................................................... 76

2.6 Разработка структуры подсистемы формирования

технического отчёта о работе доменных печей и цеха........ 78

2.7 Разработка структуры подсистемы сопоставления

показателей работы доменного цеха............................... 80

2.8 Разработка структуры подсистемы модельной поддержки

принятия решений..................................................... 81

2.9 Подсистема визуализации показателей работы

доменных печей для OLAP........................................... 84

2.10 Выводы................................................................. 87

Глава 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ, АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ

И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО УПРАВЛЕНИЮ КОМПЛЕКСОМ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ..... 89

3.1 Математическое обеспечение подсистемы формирования

отчётных данных о работе доменных печей и цеха............. 89

3.2 Математическое и алгоритмическое обеспечение

подсистемы оценки газодинамического режима

доменной плавки...................................................... 116

3.3 Математическое и алгоритмическое обеспечение

подсистемы диагностики шлакового режима

доменной плавки...................................................... 130

3.4 Математическое обеспечение подсистемы

теплового режима доменной плавки.............................. 145

3.5 Математическое обеспечение подсистемы расчёта

материальных и теплового балансов доменной плавки........ 147

3.6 Математическое обеспечение подсистемы оптимального

распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей ............................................ 154

3.7 Математическое обеспечение подсистемы расчёта

оптимального состава доменной шихты.......................... 171

3.8 Выводы................................................................... 176

Глава 4 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНЫХ

ПРИЛОЖЕНИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ.............................. 178

4.1 Требования к построению инфологических моделей

базы данных подсистем АИС АППС ДЦ..............................................179

4.2 Подсистема отображения среднесменных

и среднесуточных показателей работы доменных печей...... 183

4.3 Подсистема формирования технического отчёта

доменного цеха......................................................... 187

4.4 Подсистема сопоставления отчётных показателей работы

доменного цеха......................................................... 197

4.5 Подсистема расчёта теплового баланса

доменной плавки....................................................... 201

4.6 Информационно-моделирующая подсистема

газодинамического режима доменной плавки.................. 206

4.7 Информационно-моделирующая подсистема

шлакового режима доменной плавки............................. 226

4.8 Подсистема оптимального управления топливно-

энергетическими ресурсами в доменном производстве....... 244

4.9 Подсистема расчёта оптимального состава

доменной шихты....................................................... 262

4.10 Выводы................................................................ 272

Глава 5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ОТЧЕТНЫХ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА В КОРПОРАТИВНОЙ СЕТИ ПРЕДПРИЯТИЯ.................... 274

5.1 Создание архитектуры системы отображения

отчётных показателей доменного производства

на основе службы Reporting Services.............................. 274

5.2 Заполнение отчётных данных системы

с использованием службы Integration Services................................278

5.3 Разработка интерактивных отчётов в среде

Business Intelligence Development Studio........................ 289

5.4 Развёртывание и описание системы интерактивных

отчётов в корпоративной сети предприятия.................... 295

5.5 Выводы................................................................... 308

Глава 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АИС АППС ДЦ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА...... 309

6.1 Анализ шлакового режима доменных печей ОАО «ММК»

за 2004-2011 годы................................................................................................309

6.2 Оценка оптимальности шлакового режима доменной печи

№2 ОАО «ММК» в разные периоды её работы..............................331

6.3 Выводы.................................................................. 371

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................. 373

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................................378

ПРИЛОЖЕНИЕ ..................................................................... 400

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Фрагменты DFD-диаграмм подсистемы

газодинамического режима доменной плавки....................................400

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Спецификация к DFD-диаграммам подсистемы

газодинамического режима доменной плавки....................................411

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Фрагменты DFD-диаграмм подсистемы

шлакового режима доменной плавки............................................................423

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Спецификация к DFD-диаграммам подсистемы

шлакового режима доменной плавки............................................................431

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Акты внедрения подсистем на ОАО «ММК»...... 438

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Список опубликованных работ, отражающих

основное содержание диссертации ............................................................453

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящей диссертации использованы ссылки на следующие нормативные документы.

ГОСТ 1.5-2001. Межгосударственный стандарт. Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации межгосударственной стандартизации. Общие требования к построению, изложению, оформлению, содержанию и обозначению.

ГОСТ 7.1-2003. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Библиографическая запись. Библиографическое описание документа. Общие требования и правила составления.

ГОСТ 7.9-95 (ИСО 214-76). Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Реферат и аннотация. Общие требования.

ГОСТ 7.12-93. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Библиографическая запись. Сокращение слов на русском языке. Общие требования и правила.

ГОСТ 7.32-2001. Межгосударственный стандарт. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчёт о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.

ГОСТ 7.54-88. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Представление численных данных о свойствах веществ и материалов в научно-технических документах. Общие требования.

ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.

ГОСТ 13.1.002-2003. Репрография. Микрография. Документы для микрофильмирования. Общие требования и нормы.

ГОСТ Р 15.011-96. Система разработки и постановки продукции на производство. Патентные исследования. Содержание и порядок проведения.

ГОСТ Р ИСО 9001-2008 (ISO 9001: 2008) Национальный стандарт Российской Федерации. Системы менеджмента качества. Требования.

Положение о порядке присуждения учёных степеней. Сайт http://vak.ed.gov.ru.

Положение о совете по защите докторских и кандидатских диссертаций. Сайт http://vak.ed.gov.ru.

Положение о представлении обязательного экземпляра диссертаций в «Центр информационных технологий и систем органов исполнительной власти». Сайт http://www.rntd.citis.ru.

Официальный сайт высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации http://vak.ed.gov.ru.

СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

CASE DFD

ER-диаграммы ETL

IDEF

MES

OLAP

OLTP

PLC

SADT

SCADA

SISS

АИС

АИС АПИС ДЦ

АРМ

Computer-Aided Software Engineering - компьютерная система поддержки разработчика Data Flow Diagrams - диаграммы потоков данных Entity-Relationship - диаграммы «сущность-связь» Extract, Transform, Load - процессы извлечения, преобразования и загрузки данных

Icam DEFinition - методология семейства ICAM (Integrated Computer-Aided Manufacturing) для решения задач моделирования сложных систем

Manufacturing Execution Systems - системы управления технологией, производственными процессами OnLine Analytical Processing - аналитическая обработка в реальном времени

Online Transaction Processing - транзакционная обработка данных

Programmable Logic Controller - программируемый логический контроллер

Structural Analysis and Design Technique - графический язык описании функциональных систем Supervisory Control and Data Acquisition - сбор данных и диспетчерское управление

SQL Server Integration Services - служба интеграции SQL Server для перемещения данных между системами Автоматизированная информационная система Автоматизированная информационная система анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха

Автоматизированное рабочее место

АСУ Автоматизированная система управления

АСУ'ТП Автоматизированная система управления технологическим

процессом

АСУП Автоматизированная система управления производством

БД База данных

ДЦ Доменный цех

ИВЦ Информационно-вычислительный центр

ИС Информационная система

КИС Корпоративная информационная система

ЛИР Лицо, принимающее решение

СППР Система поддержки принятия решений

СУБД Система управления базами данных

УСО Устройство связи с объектом

ХД Хранилище данных

ЦДК Центральная диспетчерская комбината

ЦЛК Центральная лаборатория комбината

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 МЕБ-уровня 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 работы. Решение актуальной научно-практической проблемы создания автоматизированной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха (АИС АГТПС 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 МЕБ-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 исследований. Выполнение диссертационной работы базируется на: структурном анализе; физико-химических закономерностях основных процессов, протекающих в доменной печи; обобщении отечественного и зарубеж-

ного 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: особенности управления доменной плавкой 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; конкретные результаты исследования и внедрения автоматизированной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха.

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 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,