автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка математической модели и подсистемы оптимального управления производственно-транспортными участками кислородно-конвертерного цеха

ВВЕДЕНИЕ.U

ГЖАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ АСУ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УЧАСТКОВ И ПРОЦЕССОВ КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНОГО ЦЕХА

1.1. Современное состояние АСУ и применения математических моделей .^

1.2. Описание потоков материалов на входе ККЦ

1.3. Постановка задачи исследования .^

ШВА 2. РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ВХОДНЫХ УЧАСТКОВ

КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНОГО ЦЕХА (МОДЕЛЬ "ЧУГУН")

2.1. Обобщенное описание входных участков .^

2.2. Разработка имитационной модели входных участков

2.2.1. Модель В - агрегата-производителя чугуна .^

2.2.2. Модель Е - транспортного узла доменных печей ^

2.2.3. Модель D - транспортного узла конвертерного цеха .^

2.2.4. Модель С - участков подачи лома и чугуна в конвертерный цех

2.2.5. Модель К - конвертерного пролета

2.2.6. Модель Т - общих средств транспорта миксеров

2.3. Программное обеспечение имитационного модели- ^ рования производственно-транспортных участков ккц.№

ШВА 3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ПРОВЕРКА ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ 3.1. Исходные данные для модели в условиях ТМК

Тржинецкий металлургический комбинат, ЧССР) \Ы

3.2. Эксперимент I.: Исследование пропускной способности конвертерного цеха . $5"

3.3. Эксперимент 2.: Исследование некоторых альтернативных алгоритмов управления системой

3.4. Эксперимент 3.: Исследование зависимости производительности конвертеров от числа применяемых миксеров .№

3.5. Эксперимент 4.: Учет влияния числа локомотивов ^^ на результаты работы моделируемых участков

ШВА 4. РЕАЛЬНЫЕ И ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ В УСЛОВИЯХ ТРЖИНЕЦКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА

Современный этап развития социалистического общества в сфере экономики характеризуется задачей перехода в массовом масштабе от экстенсивных методов развития народного хозяйства к методам интенсивным.

Все более ощутимыми являются такие факторы развития материального производства, как ограниченность всех ресурсов производства, повышение стоимости энергии, сырья, недостаток рабочей силы и необходимость уделять все большее внимание охране условий жизни и труда.

В связи с этим во всех отраслях жизни общества ставится задача раскрыть и использовать существующие резервы лучше, эффективнее, качественнее.

Такая же задача поставлена перед черной металлургией, где из-за огромного масштаба производства особенно сильно сказывается лимитирующее действие ограниченности применяемых ресурсов сырья, топлива и энергии.

В постановлениях ХУ1-го съезда КПЧ и ХХУ1-го съезда КПСС, так же как в пятилетних планах развития народных хозяйств ЧССР и СССР, четко подчеркивается необходимость обеспечения постоянного роста качества стали и металлопродукции при одновременном сокращении расхода сырья, материалов, энергии и повышения производительности труда.

Одним из основных направлений достижения этих целей является модернизация и реконструкция существующих цроизводственных агрегатов вместе с последовательным развитием и внедрением в эксплуатацию автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Наряду с этим значительные усилия направлены на исследование новых, более эффективных и экономичных видов технологии производства и соответствующих производственных агрегатов черной металлургии. Ощутимый эффект от внедрения новых процессов даже при значительно сокращенном периоде времени от изобретения к реализации проявляется не сразу.

Более быструю отдачу и значительный экономический эффект в достаточно краткие сроки можно получить за счет улучшения качества управления существующей или модернизуемой базой производства.

Основным средством для улучшения качества управления производством, которое имеется в настоящее время, является развитие и внедрение в широком масштабе автоматизированных систем управления на всех уровнях управления от глобального - общегосударственного, через отраслевые, заводские к локальным уровням управления отдельными производственными участками или технологическими процессами.

В настоящее время ставится цель оптимального управления не только отдельными участками производства, но целыми комплексами, т.е. требуется разработка комплексных, интегрированных АСУ, в которых наряду с локальными критериями оптимальности учитываются и критерии более широкого диапазона.

Важную роль в процессе проектирования, внедрения и совершенствования АСУ играет моделирование. Моделирование - это творческий процесс воспроизведения структуры и поведения реальных и идеальных систем. Значение модел1фования состоит в том, что оно касается почти всех видов практической и теоретической деятельности человека и используется для изучения и анализа сложных явлений, для прогнозирования развития этих явлений или для принятия оперативных, тактических или стратегических решений. Часто на самом реальном объекте выполнение экспериментов затруднено, опасно, дорогостояще или просто невозможно, в то время как на модели можно всегда выполнять целенаправленные эксперименты и найти интересующие нас зависимости и закономерности.

В диссертационной работе ставится задача с помощью имитационной модели исследование и совершенствование управления производственно-транспортных участков ККЦ, обеспечивающих подачу чугуна от доменных печей в ККЦ. В модели рассматривается участок доменных печей, участки и агрегаты транспорта чугуна, участок переливания чугуна из подвижных миксеров в заливочные ковши и конверторный пролет. С помощью построенной модели можно исследовать работу этих участков, оценить влияние управляемых параметров, таких как, например, числа миксеров и локомотивов, влияния методов, использованных в алгоритмах управления и т.п., на эффективность функционирования системы в целом. Для заданных условий требуется исследовать наличие узких мест процесса, разработать алгоритмы оптимального управления, вьщелить типовые производственные ситуации и обосновать для них типовые управленческие решения, предложить человеко-машинную систему решения задач оперативного планирования и управления заданными участками.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

ВЫВОДЫ к работе

1. Разработана имитационная модель производственно-транс-портних участков кислородно-конвертерного цеха, обеспечивающих подачу и потребления главных шихтовых материалов, необходимых для выплавки стали. Имитационная модель комплекса "шихтовые материалы - сталь", состоящая из иерархической системы динамически взаимно связанных частных моделей отдельных участков, отражает специфику функционирования объекта в целом и взаимосвязь по материальным и информационным потокам его основных частей.

2. Разработаны следующие частные имитационные модели, входящие в состав общей модели комплекса:

К - модель конвертерного пролета, моделирующая работу конвертеров, завалочных и заливочных кранов, совков и ковшей ;

С - модель загрузки шихтовых материалов в совки и ковши, моделирующая работу скрапного двора, отделения переливания чугуна из миксеров в ковши и транспортных составов ;

В - модель доменной печи, моделирующая выпуск чугуна и состояния мест приема чугуна в миксеры или ковши;

Т - модель транспортной сети, моделирующая транспортировку шихтовых материалов от мест загрузки к местам потребления ;

Ъ - модель транспортного узла ККЦ, моделирующая передвижение пустых и полных миксеров на территории цеха ;

Е - модель транспортного узла доменных печей, моделирующая передвижение пустых и полных миксеров в районе доменных печей ;

А - модель глобального управления объектом.

3. Для каждой отдельной модели предложен набор входных параметров и альтернативных схем управления, представляющих интерес в процессе исследования работы отдельных участков или объекта в целом для поиска субоптимальных алгоритмов управления, составов и параметров агрегатов. Общее алгоритмы и параметры, касающиеся целого объекта, включены в информационный массив AV модели А - глобального управления.

4. Предложенная модель позволяет исследовать функционирования отдельных участков в нескольких уровнях тесноты связи с другими участками, т.е. без учета влияния других участков, при наличии статистической стыковки и при наличии динамической стыковки,

5. На примере моделей Т, Б , Е предложено решение задачи транспорта чугуна с использованием иерархического принципа и некоторых приемов, сокращающих размерность задачи и повышающих эффективность ее программной реализации.

6. Параллельно с разработкой программ, реализующих отдельные модели, было разработано и создано общее программное обеспечение моделирования, на языке ФОРТРАН 1У, которое может быть использовано при разработке других моделей.

7. Для конкретных условий Тржинецкого металлургического комбината (ЧССР) проведены численные эксперименты на предложенной модели с целью выявления узких мест процесса, количественного определения зависимости производительности конвертерного пролета от набора используемых агрегатов объекта и поиска субоптимальных алгоритмов и схем управления,

В эксперименте № I определены лимитирующие факторы работы конвертерного пролета и найдены субоптимальные управления для разного состава работоспособных агрегатов.

Результаты эксперимента № 2 позволили оценить влияние применения альтернативных алгоритмов управления моделируемыми участками на производительность системы и эффективность транспортных операций.

В экспериментах № 3 и № 4 выполнена оценка влияния числа миксеров и локомотивов на показатели функции системы в целом.

Показаны другие направления и возможности использования модели.

8. Разработанные модели и алгоритмы включены в состав математического обеспечения АСУ ККЦ Тржинецкого металлургического комбината (ЧССР) для решения задач оперативного планирования и управления кислородно-конверторным цехом.

1. Бусленко Н.П., Калашников В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. М.: Советское радио, 1973.

2. Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Курс статистического моделирования. М.: Наука, 1976.

3. Максимов D.M., Рожков И.М., Саакян М.А. Математическое моделирование металлургического процесса. М.: Металлургия,1976.

4. Баптизманский В.И. Теория кислородно-конвертерного процесса.- М.: Металлургия, 1975.

5. Рожков И.М., Травин О.В., Туркенич Д.И. Математические модели конвертерного процесса. -М.: Металлургия, 1978.

6. Голенко Д.И. Статистические модели в управлении производством.- М.: Статистика, 1973.

7. Мартин Дк. Системный анализ передачи данных. М.: Мир, 1975.

8. Мартин Дк. Организация баз данных в вычислительных системах- М.: Мир, 1980.

9. Садовников В.И., Эпштейн В.Л. Потоки информации в системах управления. М.: Энергия, 1974.

10. Четвериков В.Н. Преобразование и передача информации в АСУ.- М.: Высшая школа, 1974.

11. Дал У., Дейкстра Э., Хоор К. Структурное программирование.- М.: Мир, 1975.

12. Дьячко А.Г., Светозарова Г.И., Гребенюк Н.А. Построение имитационной модели оперативного управления участком отделения нагревательных колодцев обжимной стан., МИСиС, Научн. трудв № 115.

13. Дьячко А.Г., Кузнецова С.Б. Задача оптимального управления участком цеха холодной прокатки с применением метода динамики средних. МИСиС, Научн. труды № 126, М., Металлургия, 1980.

14. Смирнов А.П. Динамическая модель агрегата дискретного производства. МИСиС, Научн. труды № 126. М.: Металлургия, 1980.

15. Галкин М.Ф., Кроль Ю.С., Семека А.В. ЭВМ в производстве стали. М.: Металлургия, 1976.

16. Кузнецова С.Б. Разработка математических моделей и алгоритма оптимального управления металлопотоками на участках листопрокатного производства. М., МИСиС - диссертация, 1980.

17. Дьячко А.Г., Бочков Д.А., Сычев В.И. Оптимизация распределения суточного плана по производству стали между электропечами с учетом их технико-экономических показателей. МИСиС, Научн, труды, № 108.

18. Колпаков С.В. и др. Управление конвертерной плавкой. М.: Металлургия, 1981.

19. Бейтельман, Симсарян, Чернов. Адаптивная модель обезуглероживания в кислородно-конвертерном процессе. Сталь № II, 1975.

20. Обзор: Методы и устройства для контроля и регулирования параметров кислородно-конвертерной плавки. Информеталь, выпуск 16 (68), 1979.

21. Обзор: Отдельные АСУ металлургическими процессами, применяемые в ЧССР. Информеталь, выпуск 13 £65. , 1979.

22. Путниорж Э. Система оперативного управления энергетическим хозяйством металлургического предприятия с помощью ЭВМ. Сборник из 4. МКАЧМ, Запорожье, 1971.

23. Литвин И.З. и др. Математические вопросы управления цроизвод-ством. М., МГУ, Сб. № 5, 1973.

24. Математические вопросы управления производством. М.: Изд. МГУ, 1969.

25. Вольденберг Ю.С., Белостоцкий А.А., Абизов P.M. Вычислительная техника на промышленном транспорте. М.: Советское радио, 1970.

26. Больвин К. Обработка технологических параметров кислородно-конвертерного производства стали с помощью вычислительной техники. Берлин, У МКАЧМ, сентябрь, 1974.

27. Новяну А. Оптимизация технологического процесса в сталеплавильном цехе Л-Д при помощи ЭВМ. Берлин, У МКАЧМ, сентябрь, 1974.

28. Обзор: Управление кислородно-конверторным процессом с помощью вычислительной техники. Межд. система научной и технической информации по черной металлургии (МСНТИЧМ), 1976, выпуск II.

29. Обзор: Методы и устройства для контроля и регулирования параметров кислородно-конверторной плавки. Информеталь, выпуск 16 68 , 1979.

30. Карлик В.А. и др. Автоматизация процесса выплавки стали в конверторах с донной продувкой на ДОЗ им. Дзержинского.

31. Лифшиц А.Л., Мальц Э.А. Статистическое моделирование СМО. М.: Советское радио, 1978.

32. Новаковская Э.Г. Исследование и разработка алгоритмов и системы оптимального управления кислородно-конверторным процессом на базе динамической детерминированной модели. М., 1979, диссертация МИСиС.

33. Зимин В.В. Построение согласованных расписаний для производственных звеньев комплекса "сталь-прокат". М., 1979, диссертация МИСиС.

34. Боровков А.А. Вероятностные процессы в теории массового обслуживания. М.: Наука, 1972.

35. Де 1}эоот М. Оптимальные статистические решения. М.: Мир, 1974.

36. Слейг Дк. Искусственный интеллект. М.: Мир, 1973.

37. H. Voll, P. Dauby, D. Ramelot, Improvement in Oxygen Furnace Controllability Zitrich, 4-th IFAC/IFIP Conference, 197^

38. Richard C. Corson, Forrest W. Kinsey, Automation of the Sinter Plant Atlanta, "Automation in the Iron and Steel Industry", 1977

39. M. Tateoka, M. Sugata, N. Nosatea, An Outline of the Automatic Control System for the Blast Furnace Operation at Nippon Steel Corporation

40. B. Czfivek, Rxzeni v^roby ocele za pomocx pocxtace Siemens 305, Hutnxk, c. 4/1975

41. Raymond Shah, Steelmakers Automate to Improve Productivity IAMI, May, 1976

42. M. Ogawa a j. , V^vo j a provoznx zkusenosti ASR ocelarny v z&vode Mizushima, Brusel, Dflsseldorf, Mezin&rodnx hut-nicky kongres, 1976

43. Nevriva P., Saidl J., Automatizovan^ syst£m rxzeni Centralnx kyslxkarny Ostrava, Dum techniky CSVTS Ostrava, 5erven, 1981

44. H. ¥. den Hartog, Dynamic Model of the Dissolution of Scrap in the BOF Process, Metallurgical Reports CRM 37 (1973), pp. 13-22

45. R. J. 0' Shaughnessy, E. H, Bicknese., Improved BOE Practice Through ¥aste Gas Analysis Atlantic City, Open Hearth Proceedings, vol, 57, 1974

46. SIEMENS AG., Instrumentieren und Automatisieren htttten-mflnnischer Verfahrensanlagen

47. Milan Mudry., Automatizace KKO II. ve VS2 Kosice, Trinec, Sbomxk VIII. MHK, 1979

48. Martin Stiberg, Production Control in Steel making Plants, Trinec, Sbornxk VIII. MHK, 1979

49. Steffan Jemdahl., LD Steelplant Process Control System at Swedish Steel Ltd. Lulea, Trinec, Sbomxk VIII, MHK, 1979

50. Lars Sletmo., Integrated Weighing and Materials Handling Control System at the Steelmaking Plant of Australian Iron and Steel, Port Kembla, Trinec, Sbornxk VIII.1. MHK, 1979

51. Nippon Steel Corporation, Dynamic Control of Basic Oxygen Furnace Using Sublance Equipment

52. K. Kamerhofer., Rechnereinsatz und — systemkoncept bei der Stahlwerksautomation, Berg und HttttenmSnnische Monatsheffe, 120 Jahrgang, Heft 3

53. N. Iv/ao., Y. Nagano., II. Maeda., S, Yamamoto. , Dynamick£ rxzeni LD procesu., preklad z: Nippon Steel Corporation, "Study of Steelmaking" ser. 272

54. Cestovnx zprava ze sluzebnx cesty do Rakouska ve dnech 24.11.-28.11.1975 "Vyroba oceli s vyssxm obsahem uhlxlcu v kyslxlcov^ch konvertorech", Trinec, 197580^ Monography: BOF Steelmaking, AIME, 1975

55. Cestovnx zprava ze sluzebnx cesty do SSSR ve dnech l4.-27.ll.1976 "Prohlxdka referencnxho zavodu s ASRTP EKO", Trinec, 1976

56. G. Guest,, The Development of an LD Computer Control System Ostrava, International Seminar on Control Systems in Metallurgical Works, 1967

57. E. Friedl. , M. von Rhein,, II. ¥. Hfihle. , Derzeitiger Stand der Prozessautomation in den LD Stahlv/erken Duisburg - Rheinhausen der F, Krupp IHltterwerke AG, Technische mitteilungen Krupp, August 1979/Heft 2

58. J. Kozina, Jirx Beranek., Soucasn^ rozvoj automatizace a rxdxcxch s3'st^mfi v NHKG a dalsx vyhled. Sbornxk pred-naselc z konference "Aut. technologick^ch procesu v hu-txch", Trinec, kveten 1978

59. E. Putniorz., Zprava ze sluzebnx cesty do USA na t£ma "Automatizovan4 systemy rxzenx technologiclc/ch procesu v hutxch", Trinec, srpen 1978

60. Cestovnx zprava ze sluzebnx cesty do Svedslca, Norslca, Holandska a NSR ve dnech 25. 2. 10.3.1980 na t6ma: "ASRTP v^roby oceli v kyslxkov^ch konvertorech a opera-tivni rizeni v^roby", Ti-inec, duben 1980

61. Horst Lonz., Pouzitx v^pocetnx techniky к planovanx a r£~ zenx v^roby v ocelarnachvPaine Salzgitter, NSR, Prednaska z konference "Rxzenx v^roby a technologick^ch ргосезй pocltacx", Kladno, 22. - 24.11.1977

62. A. Holisz, R. Pozo%irski. , PocxtaSov^ systёm v dloze radce dispeSera а гхзепх procesu ohrevu v hlubinn^ch pecxch, Trinec, Sbomxk VIII. MHK, 1979

63. Jan Кгоийек, Antonin Majka, Josef* Splichal. , Metoda si-raulacx a jejx pouziti, Ihorga, Sesity A2, Praha 1973

64. Korfel M, Korfel Z., Algoritmy optiiaalnxho rlzenx pohy-bu taveb mezi ocel&rnou a valcovaci tratx, Hutnick£ aktuality, rada В, <5. 28, srpen 1979

65. Prouza M., Rxseni tepelne-teplotnxho stavu vysok£ pece, Tfinec, 1979, Sbornflc "Automatizace rxzeni technolo-giclc^ch procesu".

66. Svoboda V#, Modul&rnl clengni AS&TP гуэокё pece, Trinec, 1979, Sbornxk "Automatizace rxzenx technologick^ch procesu".

67. Vymetal D. , Koncepce ASR tiseku ocel&rny valcovny t5 VRSR, Trinec, 1979, Sbornxk "Automatizace rxzenx technologic-k^ch procesu".98, Levin В, R. , Teorie n&hodn^ch procesCi a jeji aplikace v radiotechnice, Praha, SNTL, 19<$5

68. Ю5. Тйта J,, Jednotn^ system rxzenx vysokopecnxho procesu, Trinec, 1983, Konference ASRTP vysok^ch pecf106. 5ulxk K, a j., Kombin&toricka anal^za v praxi, Praha, SNTL, 1967

69. Программное обеспечение компьютеров фирмы DEC /США/

70. Модель кислородно-конвертерного процесса фирмы ESTS /Голландия/