автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Программный комплекс управления рудно-термическими печами производства корунда

Список условных обозначений.

Введение.

1. Литературный обзор, состояние вопроса и постановка задачи.

1.1. Технологический процесс получения белого электрокорунда и его особенности.

1.2. Технологический процесс получения нормального электрокорунда и его особенности.

1.3. Взаимосвязь основных производственных параметров руднотермической печи получения электрокорунда.

1.4. Существующие методы и системы управления руднотермическими печами производства электрокорундов.

1.5. Постановка задачи исследования.

2. Основные положения разработки унифицированного проблемно-ориентированного программного комплекса.

2.1. Некоторые принципы и требования разработки программных комплексов.

2.2. Системы поддержки принятия решений.

2.3. Реализация концепции реального времени и параллельной модели для рассматриваемой предметной области.

2.4. Выводы к главе 2.

3. Разработка программного комплекса управления руднотермическими печами производства корундов.

3.1. Формирование структуры программного комплекса.

3.2. Этапы работы с программным комплексом.

3.3. Функциональная группа программ «АЛУ» для создания алгоритмов логического управления.

3.4. Функциональная группа программ «СП» для тестирования алгоритмов управления на основе сетей Петри.

3.5. Функциональная группа программ «СППР» реализующая экспертную систему реального времени с использованием языка таблиц решений для управления руднотермическими печами.

3.6. Требования к техническому обеспечению.

3.7. Выводы к главе 3.

4. Численное моделирование работы программного комплекса управления руднотермическими печами производства корундов.

4.1. Руднотермические печи производства белого и нормального электрокорундов как объекты управления.

4.2. Обобщенный алгоритм работы системы управления руднотермической печью производства белого электрокорунда.

4.3. Структура таблиц решений для рассматриваемой предметной области.

В современных экономических условиях для экономии ресурсов на разработку систем управления сходными процессами необходимо создавать унифицированные программные комплексы, позволяющие на их основе осуществлять управление рядом однотипных производств. Разработка таких комплексов на основе вычислительной техники позволит снизить экономические затраты производства и в то же время охватить управление широким кругом производственных процессов. В данной диссертационной работе разрабатывается унифицированный программный комплекс управления рудно-термическими печами на примере процессов производства нормального и белого электрокорундов.

В развитии современной техники большое значение имеют абразивные материалы, в том числе и электрокорунд, которые широко применяются для механической обработки в авиационной, автомобильной и многих других отраслях промышленности.

Нормальный электрокорунд - абразивный материал, представляющий собой технический продукт, содержащий 93-98% минерала корунда и различные примеси, связанные в минералы. Производят электрокорунд нормальный плавкой в дуговых электропечах шихты - смеси сырьевых материалов - бокситов и углеродистого материала, осуществляя восстановительную плавку с переводом окислов железа, кремния и части титана в ферросплав. Плавка ведется способом "на выпуск" /1,2/.

Белый электрокорунд является искусственным абразивным материалом, кристаллизующимся из высокоглиноземистого расплава, выплавляемого в дуговых электропечах способом "на выпуск". Его особенность - более высокое содержание (более 98%) окиси алюминия и незначительное количество примесей. Белый электрокорунд отличается от нормального электрокорунда более высокой твердостью и абразивной способностью /1,2/.

Легированными называют электрокорунды, в которых содержатся различные элементы, образующие с ним твердые растворы и наиболее заметно изменяющие их свойства. В качестве легирующих веществ применяют окислы титана, хрома, железа и др. Зерна легированного корунда имеют повышенную износостойкость при шлифовании; они обладают более высокой механической прочностью, особенно при ударной нагрузке, и меньшей микрохрупкостью /1,2/.

Главной тенденцией развития производства электрокорундов до недавнего времени являлось укрупнение технологических аппаратов и технологических линий. Это выражалось в увеличении производительности электропечей, оснащении их более мощными трансформаторами с регулируемым напряжением, что позволило снизить капиталовложения и эксплуатационные расходы. Однако чрезмерное увеличение напряжения в ходе плавки приводит к резкому ухудшению ряда свойств продукта (прочность, хрупкость, абразивная способность). Поэтому с увеличением мощности электропечей возросли требования к качеству управления технологическим процессом.

Основной элемент технологической схемы электротермического производства - руднотермическая печь. Печи химической электротермии представляют собой довольно сложные объекты управления. Процесс выплавки электрокорундов сопровождается горением электрической дуги переменного тока, вследствие чего возможны значительные отклонения параметров работы печи от заданных.

Кроме того, на ход технологического процесса оказывают влияние нарушения состава и дозировки шихты, неравномерный сход шихты в ванне печи, колебания сетевого напряжения, а в случае с БЭК - непостоянство сопротивления подэлектродного пространства, определяемое различным составом шихты и т.д. Это существенно искажает результаты измерения электрических характеристик и требует специальных мер для выделения информативного значения контролируемого параметра. Несвоевременная корректировка отклонения такого параметра от нормы может привести к ухудшению экономических показателей. Поэтому повышение эффективности электротермических установок должно осуществляться путем совершенствования систем управления технологическим процессом. Целью такого усовершенствования является повышение качества целевого продукта, снижение сырьевых и энергетических затрат, стабилизация электрического режима работы печи /3/.

РТП является многопараметрическим объектом и характеризуется потенциальной опасностью, недостаточной изученностью и ограниченной доступностью контроля параметров процесса.

Агрессивная среда и необходимость проведения большой части плавки при закрытом колошнике не позволяют использовать датчики прямого контроля состава и температуры расплава. Наиболее устойчивые к агрессивной среде средства непрерывного контроля этих параметров дороги и по большей части недолговечны. В течение всей плавки доступно непрерывное измерение сырьевых потоков и электрических параметров печи. Поэтому в последнее время все шире разрабатываются и применяются косвенные методы контроля, основанные на использовании явлений, сопровождающих протекание основного технологического процесса.

Отсутствие оперативности при анализе состава расплава приводит к неправильному определению времени начала выпуска расплава и, как следствие, к снижению качества готового продукта. В настоящее время решения по управлению операторы принимают, во многом ориентируясь на собственный опыт и интуицию, учитывая лишь качественные, а не количественные связи между электрическими и технологическими параметрами процесса, протекающего в РТП. Это приводит к неоправданным материальным и энергетическим потерям.

Управление РТП производства корунда осуществляется в условиях неопределенности и неполноты информации. Повышение качества выпускаемого продукта и снижение энергетических затрат могут быть достигнуты путем разработки и создания автоматизированной системы управления производством. Ядром создаваемой системы управления является программный комплекс, разработка которого проводится в данной работе.

Многообразие и сложность взаимосвязей процессов, протекающих в печи, обуславливают трудности создания надежной системы управления. Сложная связь и слабая формализованность технологических и электрических параметров затрудняет создание системы управления основанной на формализованной математической модели, что оправдывает целесообразность создания системы управления на основе экспертной системы.

Целью диссертационной работы является создание унифицированного программного комплекса для управления РТП в производстве корундов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ особенностей процесса производства нормального и белого электрокорунда в рудно-термической печи и определить возможность разработки и применения унифицированного программного комплекса для управления работой рассматриваемыми рудно-термическими печами;

2) разработать требования к программному комплексу управления руднотермическими печами;

3) выбрать алгоритмические средства и установить способы взаимодействия их между собой для создания программного комплекса управления РТП;

4) дать характеристику особенностей структуры предлагаемого программного комплекса;

5) разработать структуру программного комплекса управления РТП;

6) разработать программный комплекс управления рудно-термическими печами производства корунда;

7) провести оценку качества работы программного комплекса управления рудно-термической печи посредством численного эксперимента. Диссертационная работа содержит 4 главы.

Первая глава посвящена рассмотрению технологического процесса производства электрокорундов и их особенностей; изучению характера изменения гармонического состава напряжения и тока электродов на примере процесса плавки белого электрокорунда; определению связи гармонического состава напряжения и тока электродов с составом модификаций проплавляемого глинозема при производстве БЭК. Исследована возможность применения гармонического анализа напряжения и тока для управления работой РТП производства корунда. Проведен обзор существующих методов и систем управления производством электрокорунда. Показана возможность разработки и применения унифицированного программного комплекса для управления работой рассматриваемыми рудно-термическими печами. В соответствии с целью работы сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена рассмотрению некоторых положений, обуславливающих разработку унифицированного программного комплекса, в основе которого лежит система поддержки принятия решений представленная в виде экспертной системы реального времени с использованием языка таблиц решений; рассматривается реализация концепции реального времени и параллельной модели в СППР для исследуемой предметной области.

В третьей главе рассматривается программный комплекс управления РТП производства корунда. Приводится структура программного комплекса, его назначеь%е, основные функции и возможности. Приведена характеристика особенностей структуры предложенного программного комплекса. Каждый элемент этой структуры рассматривается как отдельная функциональная группа программ, которая может функционировать как в рамках всей системы, так и автономно. Результаты работы элементов программного комплекса иллюстрируются примерами.

В четвертой главе приведены результаты применения разработанного программного комплекса на примере получения БЭК. Разработан алгоритм управления процессом производства белого электрокорунда, обеспечивающий снижение удельного расхода электроэнергии при плавке на шихте из рядового и глубокопрокаленного глинозема. Предложен алгоритм контроля толщины гарнисажа РТП, который позволит оперативно реагировать на изменение ситуации, локализовать место проплавления и предотвратить возможную аварию. На основе разработанных алгоритмов, с учетом концепций параллелизма и временных ограничений для технологических процессов получения БЭК и НЭК сформированы таблицы решений реального времени. Проведена оценка качества работы программного комплекса. С применением предложенных алгоритмов и разработанного комплекса программ успешно решены практические задачи моделирования процесса управления РТП производства электрокорундов.

Основными положениями диссертационной работы, выносимыми на защиту, являются:

1) алгоритмы и программа управления РТП на основе экспертной системы использующей язык таблиц решений в режиме реального времени;

2) алгоритмы и программа создания алгоритмов логического управления;

3) алгоритмы и программа имитационного моделирования дискретных систем на основе сетей Петри в качестве системы тестирования алгоритмов логического управления;

4) единый унифицированный программный комплекс управления РТП производства корунда.

Основные результаты работы апробированы:

• на конференции математические методы в технике и технологиях (ММТТ-14), проходившей в Смоленске в 2001 году;

• на конференции математические методы в технике и технологиях (ММТТ-15), проходившей в Тамбове в 2002 году; на конференции математические методы в технике и технологиях (ММТТ-16), проходившей в Ростове-на-Дону в 2003 году; на конференции информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП-2004), проходившей в Орле в 2004году. Результаты работы опубликованы:

Программная система для построения, настройки и анализа сетей Петри / Халимон В.И., Рогов А.Ю., Проститенко О.В. // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-14: Сб. трудов Международ науч. конф. - Смоленский филиал Московского энергетичес. инс-та (техн. ун-та) -Смоленск, 2001. - с.185-186.

Программа «PETRINETS SYSTEM» / Халимон В.И., Проститенко О.В. // Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2001610774 от 21 июня 2001г.

В.И. Халимон, О.В. Проститенко. Имитационное моделирование дискретных систем на основе сетей Петри. Методические указания / СПбГТИ(ТУ). - СПб., 2001. - 50с.

В.И. Халимон, А.Ю. Рогов, О.В. Проститенко, А.В. Крюков. Использование программного комплекса «Комплекс ГРАФ» для исследования структур сложных систем. Методические указания / СПбГТИ(ТУ). - СПб., 2001. - 42с.

К вопросу об управлении процессом получения белого электрокорунда / Халимон В.И., Педро А.А., Проститенко О.В. // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-15: Сб. трудов Международ науч. конф. -Тамбовский гос. техн. ун-т. - Тамбов, 2002. - с.62-63. Программа «GRAF TOOLBOX» / Халимон В.И., Рогов А.Ю., Проститенко О.В. // Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2002611910 от 12 ноября 2002г. Некоторые особенности системы поддержки принятия решений реального времени / Халимон В.И., Емельянова Е.А., Проститенко О.В. // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-16: Сб. трудов

Международ науч. конф. - Ростовская гос. сел. хоз. академ. - Ростов-на-Дону, 2003.

• Программа «DECISION TABLE TOOLBOX» / Халимон В.И., Простнтенко О.В. // Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2003611869 от 12 августа 2003г.

• Разработка программного комплекса управления рудно-термическими печами производства корунда / Сотников В.В., Педро А.А., Халимон В.И., Проститенко О.В. // Информационные технологии в науке, образовании и производстве: ИТНОП-2004. - Орел, 2004. -Т.З.- с 113118.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы.

1. В результате анализа проблем управления рудно-термическими печами, предложено использовать систему поддержки принятия решений в виде экспертной системы использующей язык таблиц решений с реализаций концепции реального времени и принципа параллелизма управляющих воздействий.

2. В программном комплексе управления РТП в качестве функциональной группы программ верхнего уровня иерархии реализована «СППР» РВ на основе экспертной системы реального времени с учетом возможностей параллельного выполнения операций.

3. Разработан унифицированный программный комплекс для управления работой рассматриваемыми рудно-термическими печами включающий три функциональные группы программ:

• «Система поддержки принятия решений» реального времени;

• «Алгоритмы логического управления»;

• «Сети Петри».

4. Разработан модифицирующий алгоритм ориентирующий программный комплекс системы управления на конкретную предметную область, реализующий принцип его унификации.

5. Проведено численное моделирование работы разработанного программного комплекса управления РТП производства электрокорундов. Результаты численного моделирования показали возможность применения унифицированного программного комплекса для управления РТП производства НЭК и БЭК.

1. Каменцев М.В. Искусственные абразивные материалы- М.: Машгиз, 1950.-176 с.

2. Производство абразивных материалов/ А.С. Полубелова, В.Н. Крылов, В.В. Карлин, И.С. Ефимова Л.: Машиностроение, 1968 - 180 с.

3. Электротермические процессы химической технологии/ Под ред. В.А.Ершова. Л.: Химия, 1984. - 464 с.

4. Педро А.А. Интенсификация электротермических процессов технологии неорганических веществ: Дисс. докт. техн. наук/ СПбГТИ. СПб., 1998, 296с.

5. Ершов В.А., Крапивина С.А., Педро А.А. Электрофизические процессы в ванне руднотермических печей Л.: Изд-во ЛТИ им. Ленсовета, 1988— 80 с.

6. Гаршин А.П., Гропянов В.М., Лагунов Ю.В. Абразивные материалы Л.: Машиностроение, 1983.-230 с.

7. Емлин Б.И., Гасик М.И. Справочник по электротермическим процессам-М.: Металлургия, 1978.-424 с.

8. Марковский Л.Я., Оршанский Д.Л., Прянишников В.П. Химическая электротермия/ Под ред. Д.Л. Оршанского Л.-М.: ГХИ, 1952 - 408 с.

9. Микулинский А.С. Процессы рудной электротермии М.: Металлургия, 1966.-280 с.

10. Порада А.Н., Гасик М.И. Электротермия неорганических материалов-М.: Металлургия, 1990- 231 с.

11. Струнский Б.М. Расчеты руднотермических печей- М.: Металлургия, 1982.-192 с.

12. Ершов В.А., Данцис Я.Б., Жилов Г.М. Теоретические основы химическойэлектротермии Л.: Химия, 1978 - 184 с.

13. Электрические промышленные печи/ Под ред. А.Д. Свенчанского- М.: Энергоиздат, 1981 296 с.

14. Электроплавка алюмосиликатов/ М.И. Гасик, Б.И. Емлин, Н.С. Климкович, С.И. Хитрик. -М.: Металлургия, 1971.-309 с.

15. Рысс М.А. Производство металлургического электрокорунда.- М.: Металлургия, 1971.- 127 с.

16. Ершов В.А., Пименов С.Д. Электротермия фосфора- СПб.: Химия, 1996.-248 с.

17. Гасик М.И. и др. Производство и эксплуатация непрерывных самообжигающихся электродов. М.: Металлургия, 1965- 256 с.

18. Андрусенко Е.Н., Берг Б.И. Состояние очистки газов при выплавке нормального электрокорунда// Абразивы 1973 - №5 - С. 8-10.

19. Кляшторный И.А. Исследование процесса плавки нормального электрокорунда в связи с разработкой непрерывного способа его производства: Дис. канд. техн. наук/ ЛТИ им. Ленсовета Л., 1955.-153 с.

20. Вапник М.А. О некоторых особенностях восстановительных реакций в процессах химической электротермии// Изв. АН СССР- Сер. неорг. материалы.- 1969.- Т. IX, №2.— С. 286-290.

21. Вапник М.А., Семенов Э.Э. Автоматическое управление руднотермическими печами: Обзорн. инф М.: НИИТЭХИМ, 1977 - 26 с.

22. Исследование взаимосвязи электрических и технологических параметров плавки нормального электрокорунда в руднотермических печах: Отчёт о НИР (заключ.)/ ЛТИ им. Ленсовета; Руководитель А.А.Педро ОЦО 131 ТЗ; № ГР 81041630; Инв. № 752642.- Л.- 1982.- 90 с.

23. Сергеев П.В. Энергетические закономерности руднотермических печей, электролиза и электрической дуги- Алма-Ата: Изд-во АН Каз. СССР, 1963.- 248 с.

24. Сисоян Г. А. Электрическая дуга в электрической печи- М.: Металлургия, 1961.-414 с.

25. Данцис Я.Б. Об электрической дуге руднотермических печей// Труды ЛенНИИГипрохима, 1967.-вып. 1.-С. 5-12 .

26. Максименко М.С. Основы электротермии- М.: Химтеоретиздат, 1937214 с.

27. Степанянц С.Л. Автоматизация технологических процессов ферросплавного производства М.: Металлургия, 1982 - 111 с.

28. Васильев В.И., Коноваленко В.В., Горелов Ю.И. Имитационное управление неопределенными объектами Киев: Наукова думка, 1989.216 с.

29. Имитационное управление сталеплавильными процессами с использованием теории распознавания образов/ В.И. Васильев, П.Н. Коваль, В.В. Коноваленко, Ю.И. Лазаренко// Автоматика и телемеханика.- 1982.- №1.- С. 60-69.- №2.- С. 58-65.

30. Свенчанский А.Д., Гуттерман К.Д., Прозорова Н.Д. Автоматическое регулирование электрических печей.- М.: Энергия, 1972 112 с.

31. Жилов Г.М., Лифсон М.И., Савицкий С.К. Автоматизация управления электротехнологическими режимами работы печей химической электротермии: Обзорн. инф.-М.: НИИТЭХИМ, 1985 37 с.

32. Марков Н.А. Электрические цепи и режимы дуговых электропечных установок-М.: Энергия, 1976.-204 с.

33. Вовчик И.Ш. Исследование электрических параметров ванны мощной действующей печи для выплавки белого электрокорунда: Дис. канд. техн. наук/ ЛТИ им. Ленсовета Л., 1970 - 141 с.

34. Свенчанский А.Д., Трейзон З.Л. Автоматизация электротермических установок-М.: Энергия, 1968.-321 с.

35. Танхельсон Б.М. Исследование распределения мощности в проводящих ваннах применительно к электрическим печам для плавки электрокорундовых материалов: Дисс. канд. техн. наук/ ЛТИ им. Ленсовета-Л., 1969.-223 с.

36. А.с. 2339330 СССР. Способ ведения плавки/ Р.И. Снелицин (СССР).- БИ39