автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка системы поддержки принятия решений по управлению доменным процессом на основе комплексной логической модели

Учреждение Российской Академии Наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН

УДК 004.891:669

На правах рукописи

'/А

Иванов Евгений Борисович

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ ДОМЕННЫМ ПРОЦЕССОМ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОЙ ЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Специальность 05.13.06-"Автоматизированные системы управления технологическими процессами и производствами (по отраслям)".

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

□□3464Вии

Москва, 2009

003464600

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии Наук Институте проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Малюгин Владимир Дмитриевич (ИПУ РАН)

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Фомин Станислав Яковлевич (МИСиС)

доктор технических наук, профессор Цвиркун Анатолий Данилович (ИПУ РАН)

Ведущая организация Липецкий государственный технический

университет (ЛГТУ)

Защита состоится 0 2009 г. в _часов

на заседании диссертационнога^овета №1 Д 002.226.01 Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН по адресу: 117997, г. Москва, Профсоюзная ул., 65. Телефон Совета (495) 334-93-29, факс (495) 334-93-40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской Академии Наук Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН.

Автореферат разослан « ^^ »

2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, Доктор технических наук

Акинфиев В.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Важным элементом управления сложными технологическими объектами (металлургические и химические производства, электростанции, атомная промышленность и т.д.) являются действия, выполняемые персоналом и/или автоматически, при отклонении состояния объекта от нормы, что с учётом взаимозависимости показателей может вызвать лавинообразный процесс, чреватый нежелательными последствиями. В этой связи актуальны: проведение всестороннего моделирования процессов в объекте, инициированных подобными ситуациями, и разработка методов восстановления нормальной работы).

В качестве объекта исследования в диссертации рассматривается доменная печь - непрерывно действующий агрегат шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов. Сложность описания технологического процесса данного объекта автоматизации заключается в том, что он является «закрытым». Существующие на сегодняшний день имитационные модели технологического процесса (логическая, балансовая, технологическая, физико-химическая и др.) учитывают отдельные факторы процесса (безаварийность, ровность хода, сокращение числа простоев и др.). Что в совокупности с большим числом правил технологических инструкций существенно усложняет мастеру рационально управлять процессом выплавки чугуна, отрицательно влияет на качество продукции и эффективность производства и не позволяет решать задачу контроля и управления объектом комплексно.

Поэтому актуальной является, во-первых, проблема разработки логической модели системы управления технологического процесса на основе технологических инструкций выплавки чугуна с целью определения отклонений показателей работы домны от нормы, времени стабилизации процесса и выдачи персоналу рекомендаций по выведению объекта на нормальный режим работы. Во-вторых, усовершенствование данной модели до уровня комплексной логической модели системы управления с учетом расчетных показателей доменного процесса для повышения качества продукции и эффективности производства.

На базе разработанной комплексной логической модели системы управления актуально создание системы поддержки принятия решений (СППР), учитывающей все вышеперечисленные факторы и правила технологических инструкций, а также предоставляющей рекомендации (советы, подсказки) мастеру по стабилизации доменного процесса в реальном времени и его эффективному управлению. Это позволит предотвратить ошибочные действия мастера и повысить безопасность технологического процесса.

Цель работы заключается в разработке, исследовании и внедрении комплексной логической модели автоматизированной системы поддержки принятия решений по управлению доменным процессом, обеспечивающей требуемое качество продукции, улучшение ровности хода и технологии плавки, сокращение числа простоев и аварийных ситуаций.

Достижение указанной цели требует решения следующих основных задач

• разработка логической модели системы поддержки принятия решений (СГШР) по управлению доменным процессом, учитывающей технологические инструкции;

• для определения уставок логической модели разработка комплексной логической модели СППР на основе аналитических моделей (балансовой, технологической, физико-химической, аналитической, экономической моделей и модели безопасности жизнедеятельности);

• разработка программной реализации СППР на основе комплексной логической модели;

• внедрение разработанных моделей и программной реализации СППР в качестве советчика по управлению реальным доменным процессом для повышения квалификации обслуживающего персонала, а также в качестве тренажера в учебный процесс вузов металлургических специальностей.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы математической логики, булевой алгебры и алгоритмов, теории принятия решений и проектирования логических схем.

Научная новизна работы определяется следующими новыми научными результатами, полученными автором диссертации:

1. Предложено формальное описание технологических инструкций по управлению доменным процессом в виде набора секвенций, представляющих правила управления объектом.

2. Разработан метод построения логической структуры принятия решений, используемый для создания СППР по управлению доменным процессом. Метод основан на структурировании правил управления по исполнительным механизмам процесса.

3. Разработана и обоснована структура связей между моделями (логическая, балансовая, технологическая, физико-химическая, аналитическая, экономическая, безопасности жизнедеятельности) в комплексной логической модели поддержки принятия решений, что предоставляет мастеру доменной печи точный и последовательный расчет баланса шихтовых материалов, технологии выплавки чугуна, физико-химического перераспределения элементов между чугуном и шлаком при заданной

температуре и давлении дутья, а также параметры качества продукции и эффективности производства.

4. Разработаны алгоритм получения уставок (на основе анализа технологических инструкций, последовательности набора секвенций и структуры связей между моделями) и алгоритм принятия решений по управлению доменным процессом, соответствующий данным уставкам.

Практическая значимость

Предложенный в работе подход позволяет повысить производительность доменного процесса (за счёт сокращения времени стабилизации, т.е. времени приведения работы объекта в состояние нормы), поднять уровень безопасности (вследствие прогнозирования и моделирования процессов на ранних стадиях проектирования), а также предоставляет обслуживающему персоналу дополнительные эффективные средства в качестве советчика для принятия решений в реальных условиях. Предложенная комплексная логическая модель доменного процесса использована в виде компьютерной программы при организации учебного процесса в вузах, в том числе, для создания соответствующих тренажёров операторов доменного процесса. Эффективность разработанной модели подтверждается её реализацией в виде используемого на практике программного комплекса.

Внедрение результатов

Как законченные программные продукты, результаты диссертационной работы официально зарегистрированы в виде программы для ЭВМ (№ 2007613391 "Экспертная система (тренажёр) доменной печи" от 13 августа 2007 г.), а также внедрены в доменных цехах ОАО "Уральская сталь", ОАО "КМЗ", на шахтных печах ОАО "Южуралникель" и в учебном процессе Московского государственного института стали и сплавов (Новотроицкий филиал), что подтверждено актами и справками о внедрении.

Апробация работы

Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

"Автоматизация в промышленности", ИПУ РАН, г. Москва, 2007 г.; XIII Международная научно-техническая конференция "Кибернетика и высокие технологии XXI века", г. Воронеж, 2007 г.; VII Международная научно -техническая конференция "Интеллектуальные системы - 2007", г.Геленджик (п. Дивноморское), 2007 г.; 2-я Международная научно - практическая конференция "Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности (МНПК "ЛЭРЭП - 2007")", г. Саратов, 2007 г.; 7-я Международная конференция "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта CAD/CAM/PDM - 2007", ИПУ РАН, г. Москва, 2007 г.; III Всероссийская молодёжная конференция по проблемам

управления (ВМКПУ ¡08), ИПУ РАН, г. Москва, 2008 г.; Conference proceeding Metal 2008, Red Castle, Hradec nad Moravici, Czech Republic, EU.; IV Всероссийская школа - семинар молодых учёных "Проблемы управления и информационные технологии (ПУИТ08)", г. Казань, 2008 г.; V Всероссийская школа - семинар (конференция) молодых учёных "Управление большими системами (УБС'08)", г. Липецк, 2008 г.; Российская конференция с международным участием "Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения (УКИ'08)", ИПУ РАН, г. Москва, 2008 г.; IV Международная конференция но проблемам управления (МКПУ-2009), ИПУ РАН, г. Москва, 2009 г.

Публикации

Основные положения диссертации отражены в 16 опубликованных научных работах. Из них в списке литературы приведены 3 статьи из перечня периодических журналов, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных исследований.

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка используемых источников из 96 наименований, 4 приложений. Общий объём диссертации изложен на 130 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 45 таблиц, 45 вычислительных формул.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяются цель и задачи исследования, характеризуются используемые методы, описываются структура работы, взаимосвязь и краткое содержание ее разделов.

В первой главе «Проблемы контроля управления доменным процессом» даётся краткий аналитический обзор моделей и методов описания систем управления доменным процессом как в России, так и за рубежом, принципы ведения плавки, аварийные зоны доменной печи в соответствии с лимитирующими факторами и критериями оценок. Обосновывается необходимость разработки СППР и ее применения в качестве советчика и тренажера.

В Институте проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН известны аналогичные работы д.т.н. А.Б. Челюсткина по автоматизации прокатных станов и по горячей прокатке бесшовных труб д.т.н. Н.С. Райбмаиа (работы удостоены государственных премий). Собственно, методы компьютерной поддержки принятия решений при выполнении технологического регламента производственных процессов для дискретно-непрерывных производств -работы д.т.н. Э.Л. Ицковича. Известны работы д.т.н. В.Н. Буркова -разработки и внедрение автоматизированных систем согласованного

б

планирования на металлургических предприятиях. Также известны работы акад. С.Н. Васильева по трехуровневой экспертной системе дуговой сталеплавильной печи и Э.А. Трахтенгерца по оснащению объектов системами поддержки принятия решений.

Доменная печь как агрегат для выплавки чугуна появилась в 16 веке и прошла ряд этапов совершенствования: кокс, принудительное дутье, автоматическая загрузка, автоматизированные системы управления технологическим процессом. Одновременно увеличивался объем домны, который к настоящему времени достиг некоторого своего предела. Однако, началом автоматизации доменного процесса можно считать 1937 г., когда А.Н. Похвисиевьш (Московский государственный институт стали и сплавов -МИСиС) был впервые разработан алгоритм автоматического управления доменной печью. С начала 90-х годов ведутся разработки экспертных систем в качестве советчиков в Австрии (фирма УА1гоп), Финляндии (фирма КаШагиикО, Японии (фирма И^Афте) и России (Институт машиноведения УроРАН под руководством д.т.н. В.П. Чистова при консультации ведущих специалистов доменного производства Российской Федерации проф. А.Е. Паренькова (МИСиС), проф., героя соц. труда Б.Н. Жеребина (МИСиС), к.т.н. Ф.Л. Скуридииа (Объединённая металлургическая компания).

Доменная печь - это шахтная печь, в которой для восстановления железа из его оксидов, содержащихся в рудах, используется углерод кокса. Течение технологического процесса основано на противотоке шихтовых материалов и горячих газов. Главным продуктом доменной плавки является жидкий чугун, используемый для последующего передела в сталь.

Сложность описания данного объекта заключается в том, что он является закрытым и посмотреть на процессы, которые происходят внутри не представляется возможным. Тем не менее, накопленные знания в виде технологических инструкций и измеряемые параметры доменного процесса позволяют мастеру соблюдать технологию плавки. Но при этом, даже для очень опытного мастера при наличии большого объема входных/выходных параметров возникают затруднения по ведению технологического процесса в нормальном режиме.

На рисунке 1 представлена традиционная схема управления доменным процессом. Данные о работе печи поступают в аналитическую модель в виде числовых значений параметров процесса (Н1', Н2Т1', Т2', VI', У2', И ', 22' - высота столба шихтовых материалов по центру и по периферии печи, температура горения кокса в центре и на периферии печи, скорость схода шихты в центре и на периферии печи, интенсивность загрузки в центре и на периферии печи, соответственно; Я', IV', Т' - расход, влажность и температура дутья, соответственно; О' - количество вдуваемого природного газа; Тк' - температура колошникового газа; К' - расход кокса). Мастер наблюдает на табло пульта управления эффективность и безопасность производства по полученным параметрам в виде троичных значений (Н1, Н2, Т1, Т2, VI, К2, 21, 22, Я, IV, Т, Д Тк, К): больше нормы (>), норма (=), меньше нормы (<).

управления доменным процессом

В дальнейшем, мастер как главное ответственное лицо1'1 принимает решения по ведению технологического процесса в соответствии с правилами технологических инструкций, периодическим использованием моделей расчета плавки и накопленного опыта и вырабатывает управляющие воздействия соответствующими исполнительными механизмами {21, 22, К, Ш, Т, £>).

Регулирование загрузки шихты в доменную печь по периферии и по центру {21, 22) производится при помощи специальных загрузочных устройств, регулирование изменением параметров дутья {Я, IV, Т, П), осуществляется с использованием воздухонагревателя (каупера).

Соответствующий фрагмент алгоритма принятий решений по управлению доменным процессом с использованием управляющего механизма Zlи наблюдаемых параметров VI, Н1, Т1 представлен на рисунке 2.

Во главе управления производством стоит мастер, которому подчиняются газовщик (следит за работой доменной печи) и водопроводчик (следит за охлаждением печи).

Ут~:ПТ У

Рис.2. Фрагмент алгоритма принятия решений по управлению доменным процессом

Также на производстве мастерами производятся расчеты ряда параметров, которые позволяют соблюдать некоторую технологию плавки и, в случае необходимости переходить с одно вида чугуна на другой, вовремя делать выпуск продукции, продувать печь, снимать подвисание шихты и т.д. В случае необходимости мастер может рассчитать экономичность производства при существующих условиях плавки и безопасность работы персонала на данных условиях работы объекта.

Сегодня в мире используется целый ряд моделей для осуществления подобных расчетов (логическая, балансовая, технологическая, физико-химическая, аналитическая, экономическая), но ни одна из них не учитывает всех факторов (безаварийность, ровность хода, сокращение числа простоев и ДР-)-

Таким образом, недостатками существующего на сегодняшний день способа управления технологическим процессом доменной печи являются:

- большой выбор правил управления процессом в виде технологических инструкций мастеров, что вызывает затруднения при выборе рационального варианта управления объектом.

- большое количество информации в виде параметров (Н1, Н2, Т1, Т2, VI, У2, 21, 12, Я, IV, Т, Д Тк, К), предоставляемых мастеру на пульте управления объектом, что с учетом набора правил в виде инструкций существенно осложняет процесс управления доменной печью.

- управление доменным процессом осложняется тем, что для получения продукции требуемого состава и соответствующего качества необходимо прилагать дополнительные усилия по точному и верному расчету баланса

9

шихтовых материалов, технологии плавки, физико-химического перераспределения элементов.

В связи с вышеизложенным, актуальными задачами являются:

• разработка логической модели системы поддержки принятия решений (СППР) технологическим процессом доменной печи, учитывающей технологические инструкции, а также параметры технологического процесса;

• создание комплексной логической модели СППР с учетом существующих моделей (балансовая, технологическая, физико-химическая, аналитическая, экономическая, безопасности жизнедеятельности) для точного определения уставок логической модели и ее дальнейшего использования в управлении доменным процессом;

• использование СППР в качестве советчика мастера и тренажера для повышения квалификации обслуживающего персонала и обучения студентов старших курсов вузов металлургических специальностей;

• разработка компьютерной программы и соответствующего пользовательского интерфейса комплексной логической модели поддержки принятия решений по управлению доменным процессом;

• внедрение разработанных моделей и информационной системы в управление реальным доменным процессом, а также в учебный процесс.

Решение данных задач позволит разработать комплексную логическую модель поддержки принятия решений по управлению доменным процессом на базе технологических инструкций мастеров, которая будет учитывать вышеперечисленные факторы по технологии плавки и качеству продукции, а также помогать мастеру достаточно оперативно принимать эффективные управленческие решения по стабилизации процесса в реальном времени.

Во второй главе «Комплексная логическая модель поддержки принятия решений по управлению доменным процессом» ставятся и решаются следующие задачи:

- разработка логической модели системы поддержки принятия решений (СППР) технологическим процессом доменной печи, учитывающей технологические инструкции, а также параметры технологического процесса;

- создание комплексной логической модели СППР с учетом существующих моделей (балансовая, технологическая, физико-химическая, аналитическая, экономическая, безопасности жизнедеятельности) для точного определения уставок логической модели и ее дальнейшего использования в управлении доменным процессом;

- использование СППР в качестве советчика мастера и тренажера для повышения квалификации обслуживающего персонала и обучения студентов старших курсов вузов металлургических специальностей;

разработка компьютерной программы и соответствующего пользовательского интерфейса комплексной логической модели поддержки принятия решений по управлению доменным процессом;

- внедрение разработанных моделей и информационной системы в управление реальным доменным процессом, а также в учебный процесс.

Так как современные автоматизированные системы управления доменным процессом предоставляют мастеру данные по работе объекта, но не обеспечивают его функциями поддержки принятия решений в сложившейся ситуации, то мастер на основе своих знаний и опыта полностью принимает ответственность на себя и управляет работой доменной печи. Это является существенным недостатком, так при наличии большого количества параметров возникают затруднения по ведению технологического процесса в нормальном режиме, что может привести к аварии или производству некачественной продукции.

Моделирование управления технологическим процессом проводится как на стадии проектирования объектов и реализуемых в них процессов, так и при организации управления в реальном времени (включение имитационной модели в систему управления).

В §1 данной главы диссертации представлена разработка логической модели СППР по управлению доменным процессом на основе технологических инструкций мастеров, состоянием технологического процесса (показания датчиков) и управляющих параметров в данный момент времени.

Анализ данных технологических инструкций доменного цеха позволил выявить и формализовать около 100 правил:

• Если загрузка шихтовых материалов по периферии ниже нормы и скорость схода шихты ниже нормы, то высота столба шихты в норме и поддержание процесса возможно на том же уровне;

• Если загрузка шихтовых материалов по периферии в норме и скорость схода шихты в норме, то высота столба шихты в норме и поддержание процесса возможно на том же уровне;

• Если загрузка шихтовых материалов по периферии выше нормы, а скорость схода шихты в норме, то высота столба шихты в норме и поддержание процесса возможно на том же уровне;

• Если загрузка шихтовых материалов по периферии ниже нормы, а скорость схода шихты в норме, то высота столба шихты ниже нормы и необходимо уменьшить расход дутья;

• Если загрузка шихтовых материалов по периферии ниже нормы, а скорость схода шихты выше нормы, то высота столба шихты ниже нормы и необходимо уменьшить расход дутья;

• Если загрузка шихтовых материалов по периферии в норме, а скорость схода шихты выше нормы, то высота столба шихты ниже нормы и необходимо уменьшить расход дутья;

• Если загрузка шихтовых материалов по периферии в норме, а скорость схода шихты ниже нормы, то высота столба шихты выше нормы и необходимо увеличить расход дутья;

• Если загрузка шихтовых материалов по периферии выше нормы, а скорость схода шихты ниже нормы, то высота столба шихты выше нормы и необходимо увеличить расход дутья;

• Если загрузка шихтовых материалов по периферии выше нормы, а скорость схода шихты в норме, то высота столба шихты выше нормы и необходимо увеличить расход дутья;

• ...и т.д.

Собственно, порядок формирования правил управления процессом можно представить в виде функции:

где *■(/) - наблюдаемые параметры в данный момент времени; >•(/) -

управляющие параметры в данный момент времени; >0 + 1) - управляющие параметры в последующий момент времени.

Таким образом, вышеприведенные правила можно формально представить в следующем виде (2.2):

(21 < 21н)&(П < Пи) |-Я1 = Н\и,Я = Ян (г1 = г1н)&(п=¥1н) \~н\ = ни,я = ян

(21 > ги) & (п = Пи) |-/п = ни, я = ян

(21 < 21н)&(П = Пи) \-Н\ < Н\н,Я< Ян (21 < 21н)& (VI > Пи) |-Я1 < Н\н,Я< Ян (2.2)

(21 = 21н)&(П > Пи) |-Я1 < Н\н,Я < Ян (21 = 21н) & (К1 < VU) |-Я1 > Я1н, Я > Ян (21 > 21н)& (('1 < Пн) |-Я1 > НХн,Я > Ян (21 > 21н)&(К1 = У1н) ¡-Я1 > Н1и, Я > Ни И Т.Д. Проведение данной работы определило несколько вариантов возможных действий мастера при возникновении одинаковых производственных ситуаций, а значит отсутствие однозначного выбора безаварийного, рационально - правильного и экономически выгодного управления объектом. В связи с чем блок управления доменным процессом представляет аналог-таблицы истинности, используемой в теории проектирования логических схем (табл. 1) и составляет Зь строк.

Таблица 1

Блок управления технологическим процессом доменной печи

Текущее состояние наблюдаемых параметров технологического процесса в момент времени 1 Параметры управления процессом в момент времени 1 Параметры управления процессом в момент времени г +1

Т1 Т2 Н1 Н2 VI \2 Тк К К О XV т г\ Я Б т г\ Ъ2

= < = > < < > < = = = = = > = = = < =

Общее количество правил = 3"

Функциональные зависимости параметров регулирования доменного процесса описаны следующим образом (1.2):

Л = /(Я1,П,Я2,Г2) £> = /(Н1П,Н2,Т2)

IV =/(Н1,Т1,Н2,Т2) (2.3)

Т = /{Н\,Т\,Н2,Т2)

21=/(н\,у\,тг)

12 = /(Я2,К2,П)

С целью сокращения ошибок при проектировании и улучшения проверки правильности таблица истинности была декомпозирована на 6 логических таблиц в соответствии с параметрами регулирования (11,\¥,Т,В,21,22), которые в дальнейшем были распределены по текущему (1) и последующему ^ + 1) моментам времени.

В качестве примера рассмотрим логические блоки управления расхода дутья (табл. 2,3,4) и описывающие их математические формулы (2.4, 2.5, 2.6). Данные таблицы представлены последовательно, чтобы показать зависимость входных/выходных показателей.

Таблица 2

Модель центрального столба шихты (1МН)

Входы Выходы

21(1) (загрузка шихты на периферии) У1(0 (скорость схода шихты на периферии) Н1(г) (высота столба шихты на периферии)

0 0 1/2

0 1/2 0

0 1 0

1/2 0 1

1/2 1/2 1/2

1/2 1 0

1 0 1

1 1/2 1

1 1 1/2

Н10 = Т1У1уТ1УЫИУ1

Н\п=2т^2\УЬ/2\У\ (2.4)

Я1, = 2\У\ч2\У\ч2\У\ где Я10, Я11/2, Я1,- значения выходного параметра "///" в режимах .меньше

нормы, норма и больше нормы, соответственно; /,/,1 - задаваемые параметры в режимах меньше нормы, норма и больше нормы, соответственно.

Таблица 3

Регулятор количества энергии в дутье для периферии (ЮЯ)

Входы Выходы

Ul(t) (высота столба шихты на периферии) Т1(1) (температура горения кокса на периферии') ОНО (количество энергии дутья на периферии)

0 0 1/2

0 1/2 1/2

0 1 0

1/2 0 1/2

1/2 1/2 1/2

1/2 1 1/2

1 0 1

1 1/2 1/2

1 1 1/2

01„ = Я1Г1

01„, = /ЛПуЛПГ^/ЛПУ/ЛГ1^/ЛПУЯ1ПУЯ1П (2.5)

01, = Я1П

где £Л0, 0\иг, 61,- значения выходного параметра "01" в режимах меньше нормы, норма и больше нормы, соответственно.

Таблица 4

Регулятор параметров общего дутья по количеству энергии для центра и __периферии {а)

Входы Выходы

QIC) (количество энергии в дутье на периферии) Q2(t) (количество энергии в дутье в центре) R(t + !) (расход дутья)

0 0 1/2

0 1/2 1

0 1 I

1/2 0 0

1/2 1/2 1/2

1/2 1 1

1 0 0

1 1/2 0

1 1 1/2

R,=Q\Q2vQ\Q2vQ\Q2

RU1 = QIQ2 v QlQ2v QIQ2 (2.6)

/?, = Q1Q2VQ1Q2VQ1Q2 где Яд, Я112, R,- значения выходного параметра "Л" в режимах меньше нормы, норма и больше нормы, соответственно.

Аналогичное составление логичное блоков 2МН и 2GR.

Схема соединения данных блоков управления представлена на рисунке 3. Соответственно, входными параметрами являются ZI(t), VI(t), Z2(t), V(2), выходным - R (t + 1) (механизм, которым мастер управляет для выведения объекта в состояние нормы). Связующими параметрами между блоками регулирования (1МН, 2МН, 1GR, 2GR, GL) являются Hl(t), Tl(t), H2(t), T2(t),

(.)1(1'), Q2(t), которые образованы в результате логических преобразований технологических инструкций мастеров.

Рис. 3. Схема соединения блоков параметра общего дутья по количеству

энергии в дутье для центра и периферии Модель считается управляемой, если из любого ее состояния существует цепь переходов в заключительное состояние, принятое за нормальный режим функционирования. Контроль управляемости осуществляется путем моделирования при последовательном переводе модели во все возможные состояния, для каждого из которых формируются все возможные варианты управляющих воздействий.

При формировании блоков руководствовались ранее известными работами д.т.н. Чистова В.П.

В связи с вышеизложенным, предлагается использование на производстве комплексной логической модели на основе технологических инструкций, которая выполняет функцию советчика мастера для соблюдения заданного режима выплавки чугуна, возможности предотвращения аварийных ситуаций и получения более качественной продукции (рис. 4). В данном случае перед мастером открывается возможность получения рекомендации (подсказки) по правильному ведению процесса в сложившейся, возможно предаварийной ситуации.

Рис. 4. Предлагаемая структура системы управления доменным процессом с использованием СППР В §2 данной главы диссертации рассматривается задача определения уставок по управлению процессом в соответствии с режимом плавки, расчета по заданному химическому составу и получению качественной продукции. Для этого существует ряд моделей (балансовая, технологическая, физико-химическая и др.) доменного процесса, которые учитывают отдельные стороны технологического процесса (безаварийность, ровность хода, сокращение числа простоев и др.), но не позволяют решать задачу контроля и управления объектом комплексно.

В связи с этим решается задача разработки комплексной модели технологического процесса и ее интеграция в автоматизированную систему поддержки принятия решений с использованием уже существующих расчетных моделей в режиме реального времени.

Суть работы заключается в усовершенствовании и объединении известных моделей доменного процесса в комплексную модель с использованием логической модели поддержки принятия решений как основной (рис. 5). Моделирование заключается в основной работе логической модели и её интеграцией с балансовой и технологической, которые влияют по соответствующим каналам связи на модели: Экономическую, физико-химическую и безопасности жизнедеятельности. Контрольной точкой получения результата (качественной продукции) является модель аналитического контроля.

Такая последовательность объединения моделей заключается в решаемых ими задачах. В первую очередь мастеру необходимо рассчитать приход/расход шихтовых материалов (балансовая модель). Во - вторых, определить технические и технологические особенности работы доменной печи при заданном расходе материалов (технологическая модель). Затем, с учетом предыдущих моделей определить перераспределение физико-химических элементов между чугуном и шлаком при заданной температуре и давлении дутья в печи (физико-химическая модель). В итоге, получить расчетные данные по улучшению/ухудшению качества продукции (аналитическая модель). В случае необходимости мастер может провести расчеты по себестоимости получаемой продукции (экономическая модель) и безопасности жизнедеятельности персонала (модель безопасности жизнедеятельности).

Рис. 5. Комплексная логическая модель управления доменным процессом Проведенная работа предоставляет возможность мастеру определения точных уставок ведения процесса по существующим управляющим и наблюдаемым параметрам, а также последовательный расчет баланса шихтовых материалов, технологии выплавки чугуна, физико-химического перераспределения элементов между чугуном и шлаком при заданной температуре и давлении дутья, качества продукции.

Взаимосвязь между моделями системы осуществляется по соответствующим параметрам, представленным в таблице 5. В левом столбце - основная модель и модель с внутренним дублированием параметров. В среднем столбце "связь моделей" представлены способы переходов от одной модели к другой. В правом столбце - собственно переходные параметры (входы/выходы).

Таблица 5

Взаимосвязь моделей по соответствующим показателям работы домны

. . .....Молегм. .. ......Л., л Соо-&е-ству*эи1>\еларадл«тр>ы(а*Оды/аь.годь-) 1 аза имодейстеия моделей

. 1.". \»: П — производительность, к — расход кокса, Ш — выход шлака, ' Т- — температура а печи, Р « - давление дутая

♦ | ' | Технические характеристики работы объекта (объем гечи, * *-*-Х<1* ' «Т т * ■»•"•>^ 0ь1СОТа горна, высоа фурмы и т.д.)

" ( | ' -"1. ' Химический состав компонентов получаемой продукции в видечугуна и шлака Мп, Р, 5 и ТА.)

1 « ■'-»Г* АА * £ —теплозые избытки доменного процесса в центре и | на периферии печи.

..........»1 < П — пронз&одителэност»,объем шихтоаых материалов. Г

Получение устааок работы логической модели

21 —загрузка шихтовых материалов по перифериипечи ^ „ ' Х2 — загруака шихтоакх материалов по центру печи

[ N1, VI — высота и скорость схода шихтовых материалов на 1 периферии печи: Н2, >/2 — аысота и скорость схода шихтовых

4 » л ¿s

Т1. Т2 — температурагорения кокса на периферии и & >( » | цьнтре печи; Тк — температура иолошникозого газа; ЯДЧТ — 1 у ■■ -п*И|-У-и[Ц[|-1- II"-- расход, Е/тажность и температура газоэоадушной смеси; О — | добавки природного газа.

Таким образом, разработана комплексная логическая модель управления доменным процессом с использованием законов трехзначной логики на базе технологических инструкций мастеров (табл. 6, п.7), которая позволяет учесть все основные факторы технологии производства чугуна (баланс, перераспределение элементов, качество и др.) и дать совет мастеру по оперативному и правильному решению в управлении процессом.

Также, данная система может быть использована в качестве тренажера для повышения квалификации специалистов и обучения студентов старших курсов вузов технических специальностей.

Таблица 6

Модели управления технологическим процессом доменной печи

M п. п. Модель / Задача Разработчик/ пользователь Предотвращен е аварийна^ ситуации Баланс плавки (приход/ /расход) Соблюдение технологического режима Получение продукции требуемог о состава Качество продукции Экономические расчёты

1. Логическая ИМАШУроРАН (при консультации ШСиС), Vairon + +

2. Балансовая Спб-ГТУ, ШСиС ± + ± + - -

3. Технологическая ШСиС, ИМЕТУроРАН, ЛГТУ, Rautaruuki ± ± +

4. Физико-химическая ШСиС, ЛГТУ, Rautaruuki - ± + ±

5. Качественная ШСиС, Спб-ГТУ, Vairon - • +

6. Экономическая ШСиС, ИМЕТУроРАН, Спб-ГТУ - ± - +

_ ■ Кошнексная ■--:. ИЛУ РАН - * 4. 4 *

В третьей главе «Разработка компьютерной программы и пользовательского интерфейса системы поддержки принятия решений и применение полученных результатов» представлена инженерная реализация разработанной системы. Для данной разработки была выбрана компьютерная программа Delphi 7. Её интерфейс состоит из графического и динамического Протоколов и занимает объем жесткого диска 20 мегабайт.

Работа программы начинается с ввода начальных параметров "Ввод данных". Модель считается управляемой, если из любого ее состояния существует цепь переходов в заключительное состояние, принятое за нормальный режим функционирования. Контроль управляемости осуществляется путем моделирования при последовательном переводе модели во все возможные состояния, для каждого из которых формируются все возможные нар и анты управляющих воздействий.

В качестве примера на рисунке 6 рассмотрен аварийный вариант работы печи №3 Ко югорского металлургического -завода на переделы юм чугуне (на этапе внедрения данной системы в эксплуатацию). Заданы повышенный расход дутья ("выше нормы1'} и низкая температура дутья ("ниже нормы"), В результате, были получены отклонения наблюдаемых параметров на периферии печи; температура горения кокса ('!)) и скорость схода шихты ( ('',) "ниже нормы", высота столба шихты (¡¡¡) "выше нормы''. Для того, чтобы привести работу объекта а состояние нормы был использован режим "автомат". В результате, за три такта по времени модель вывела печь в состояние номы, используя понижение расхода дутья (R) и снижение загрузки на периферии (Z1

5 * | -- I..S '¡ПУЛ

' Г Р» •DJlWi

"iVp**, ЗДЕА^ г. Г *

Рис.6. Интерфейс комплексной логической модели доменного процесса при отклонении параметров от нормы В программе создана соответствующая строка состояния для просмотра истории работы объекта (рис. 7). В связи с этим, можно проследить все этапы функционирования печи.

7\ Исгарк» ... ......... шш

юнг 8мига пм!л дакг^ СфВДМЫВКЧ [¿^»тр.югаяваа: Тбчэдтфггсдо«« ияит изгп Ши-^п тьзги ДЙЙЙ7 »ЗЙЗ 563?» 20.1?» 20.1731

шшт. —

&зВДТ"}с»яба -жег* С'хр-т-Ч ИНСУ ант ¡¡а 22 тш м м и* 22 22

Кдаспппедяго" Теквр»тр4 —

¡¡¡¡¡¡¡¡¡[ тт ямн мм мни ШМ ян* ММ тшш 22

Уйрм темы гасялмрь!

Рвежч^рнЩ 1 л-пт-яу.! ¿ЗГмг, 1 Истееьькоъ Щв^А^Ц'М Ятт та* тш жт ере имя «■к **** ттт' «■« .

■ ятт

__ ни

: _____ . ..

мм ."¿¡и жт

___ ... ■ ___ ...... -. -

яши ■ гяш а., •фе V - : газа ■V» .. . г^ые

__[ С^внть 1

Рис.7. Интерфейс '"история" комплексной логической модели доменного процесса при стабилизации всех параметров В дальнейшем, совместно с экспертами было рассчитано время (3.1) на выведение доменной печи из возможного аварийного состояния с помощью комплексной логической модели управления доменным процессом в качестве советчика мастера:

г^-г.+г^+п (3.1)

где - общее время обработки ииформации, мин;

Ш - время на обработку информации, полученной с доменной печи, мин;

Тг - время для принятия решения, мин;

- время на исправление режима работы печи мастером и консультации экспертов, мин,

В таблице 7 представлены данные по расчету времени на обработку технологической ситуации и изменению режимов ллавки мастером с использованием компьютерного советчика и без него.

Таблица 7

Соответствие времени стабилизации процесса с использованием ___комплексной логической модели

ЦрСмн, мин Работа мастера Работа маетерч

с совстчикам без советчика

п 1+2 1 ^2

Т3 5 + 10 10 + 30

Тз 3 + 5 3 + 5

9 + 17 14 + 37

В соответствии с табличными данными комплексная логическая модель н 2 -М раза быстрее помогает мастеру обработать полученную информацию и провести кардинальные изменения в работе доменной печи.

Итак, впервые комплексная логическая модель поддержки принятия решений но управлению доменным процессом была внедрена ма Косогорском металлургической заводе па доменной печи №3, полезным объемом 940 й и работой на передельном чугуне.

В дальнейшем, система была внедрена в доменном цехе ОАО "Уральская сталь". Отличие от предыдущего способа внедрения заключалось в разработке и использовании дополнительной подмодели шлак о перерабатывают ей установки (ШПУ). которая позволила более эффективно проводить грануляцию доменного шлака.

Введение в эксплуатацию комплексной логической модели па шахтных печах "Южуралникель" заключалось в выплавке никелевого штейна и открытом колошнике, что является особенностью работы данного вида печей. В связи с чем для системы были выбраны соответствующие параметры плавки и переведены значения основности в показатели кислотности. Были выявлены нарушения в работе па колошнике, заключающие в высоких подсосах при загрузке и достаточно большое образование настыли (рис. 8), Модель выводила объект в состояние нормы за

Ж

О

л

Ф &Ф Ф

'•'■¿ъ.ттщкгщ II

¡дом-дою

Г . 00 -»¿3

5ЕОЛС ДОДО

Рис. 8. Интерфейс комплексной логической модели шахтной печи В дальнейшем, комплексная логическая модель поддержки принятия решений по управлению доменным процессом была внедрена в учебный процесс Московского института стали и сплавов (Новотроицкий филиал). По курсу "Моделирование объектов и процессов в металлургии" прочитаны лекции и проведены семинарские занятия с обучением студентов на данной модели в качестве компьютерного тренажера.

На сегодняшний день модель имеет свидетельство об официальной регистрации компьютерных программ для ЭВМ (№2007613391),

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие теоретические и практические

результаты:

1. Предложено формальное описание технологических инструкций по управлению доменным процессом в виде набора секвенций, представляющих правила управления объектом.

2. Разработан метод построения логической структуры принятия решений, используемый для создания СППР по управлению доменным процессом. Метод основан на структурировании правил управления по исполнительным механизмам процесса, что позволяет сократить число ошибок при проектировании и упростить проверку правильности создания подобных схем.

3. Разработана логическая модель поддержки принятия решений, которая выдает советы в удобном для мастера доменной печи виде (больше нормы (>), норма (=), меньше нормы (<)), что позволяет ему принимать оперативные решения по рациональному ведению технологического процесса доменной печи.

4. Разработана и обоснована структура связей между моделями (логическая, балансовая, технологическая, физико-химическая, аналитическая, экономическая, безопасности жизнедеятельности). Выявленная структура связей положена в основу предложенной в диссертации комплексной логической модели поддержки принятия решений.

5. На основе анализа технологических инструкций, последовательности набора секвенций и обоснованности структуры связей между моделями разработаны алгоритм получения уставок и алгоритм принятия решений по управлению доменным процессом, соответствующий данным уставкам.

6. Разработана программная реализация комплексной логической модели поддержки принятия решений для оператора доменного процесса, реализующая предложенную в диссертации информационную технологию, и предоставляющая инструменты для работы оператора в режимах "тренажер" и "автомат".

7. Разработанная в диссертации система поддержки принятия решений по управлению доменным процессом внедрена в доменных цехах ООО "Уральская сталь" (Орско - Халиловский металлургический комбинат), ОАО "КМЗ" (Косогорский металлургический завод), на шахтных печах ОАО "Южуралникель" (Южно - уральский никелевый комбинат), а также в учебный процесс Московского института стали и сплавов (Новотроицкий филиал), что подтверждено актами и справками о внедрении.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Чистов В.П., Пареньков А.Е., Иванов Е.Б. и др. Экспертные системы металлургических агрегатов с использованием законов нечёткой логики и неравновесной термодинамики [Для снижения аварий металлургических процессов создана экспертная система в режиме задувки и выдувки металлургического агрегата] // Наука и производство Урала: сб. науч. тр. / Московский гос. ин-т стали и сплавов (Новотроицкий филиал). -Новотроицк, 2006. - С. 114 - 118. - Библиогр.: с. 118.

2. Малюгин В.Д., Иванов Е.Б., Пареньков А.Е. Разработка экспертной системы (тренажёра) доменной печи с применением модели шлакоперерабатывагащей установки [Разработан тренажер доменной печи с использованием подмодели шлакоперерабатывающей установки] // Научная конференция «Автоматизация в промышленности»: сб. науч. тр. / Ин-т проблем управления РАН. - Москва, 2007. - С. 122-126. - Библиогр.: с. 126.-ISBN 5-201-14996-0.

3. Иванов Е.Б. Совершенствование экспертной системы (тренажёра) доменной печи с переходом от качественной к количественной модели [Разработка заключается в универсальном принципе использования исполнительных механизмов и неполадок, что упрощает эксплуатацию металлургического агрегата] // VIII Международная научно — техническая конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI века»: сб. науч. тр. / Воронежский гос. тех. ун-т. - Воронеж, 2007, Т.2. - С. 1084-1089. -Библиогр.: с. 1089.

4. Малюгин В.Д., Иванов Е.Б., Сальников В.Д. Экспертная система доменной печи с разработкой новой модели аналитического контроля [При моделировании экспертной системы доменной печи использована модель аналитического контроля для проверки качества продукции] // Международная научно - техническая конференция «Интеллектуальные системы - 2007»: сб. науч. тр. / Таганрогский гос. тех. ун-т. -Дивноморское, 2007. - С. 182 - 186. - Библиогр.: с. 186. - ISBN 978-5-92210856-0.

5. Малюгин В.Д., Иванов Е.Б., Падерин С.Н. Создание экспертной системы (тренажёра) доменной печи с применением физико - химической модели [Разработана система управления металлургическим объектом с моделью перераспределения химических элементов] // Международная научно - практическая конференция «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности (МНПК "ЛЭРЭП - 2007")»: сб. науч. тр./Саратовский гос. тех. ин-т. - Саратов, 2007.-С. 282 - 286. - Библиогр.: с. 286. - ISBN 978-5-7433-1838-4.

6. A.c. 2007613391 Экспертная система (тренажёр) доменной печи [Регистрация компьютерной программы и интерфейса в качестве тренажера доменной печи для повышения квалификации обслуживающего персонала] / Иванов Е.Б., Малюгин В.Д., Пареньков А.Е., Скуридин Ф.Л.; заявл. 14.06.2007; опубл. 13.08.2007.

7. Гуляев C.B., Иванов Е.Б., Пареньков А.Е., Залозная JI.A.

Компьютерный тренажёр шахтной печи [В работе проведено моделирование шахтной печи на базе существующей модели доменной печи] // Международная научно - техническая конференция (выставка) «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM - 2007)»: сб. науч. тр. / Ин-т проблем управления РАН. -Москва, 2007. - С. 164 - 165. - Библиогр.: с. 165.

8. Малюгин В.Д., Иванов Е.Б. Совершенствование логической модели экспертной системы (тренажёра) мастера доменной печи [Представлено совершенствование логической модели доменной печи с переход от качественного к количественному принципу использования управляющих и наблюдаемых параметров] // Промышленные АСУ и контроллеры. -2008. - №1. - С. 38 - 40. - Библиогр.: с. 40.

9. Иванов Е.Б. Объединённая модель экспертной системы доменной печи [Рассматриваются вопросы комплексного моделирования экспертной системы мастера доменной печи на базе существующих расчетных моделей] // III Всероссийская молодёжная конференция по проблемам управления (ВМКПУ '08): сб. науч. тр. / Ин-т проблем управления РАН. -Москва, 2008. - С. 197 - 198. - ISBN 978-5-914-50-012-9

10. Ivanov Evgeniy. Control of Metallurgical units with the help of expert system [The expert system is a software product filled by experts in which the artificial intellect is used as the typical logic rules. The expert system work is set according the algorithm alike intellective process.] // Conference proceeding Metal 2008, Red Castle, Hradec nad Moravici, Czech Republic, EU, PP. 29 -30. - - ISBN 978-80-254-1987-8.

11. Иванов Е.Б. Описание экспертной системы доменной печи по теории графов [В работе дано графовое представление структуры экспертной системы мастера доменной печи] // IV Всероссийская школа - семинар (конференция) молодых учёных «Проблемы управления и информационные технологии (ПУИТ'08)»: сб.науч. тр. / Казанский гос. тех. ун-т. - Казань, 2008, - С. 147 - 150. - Библиогр.: с. 150. - ISBN 978-57579-1145-8.

12. Иванов Е.Б., Малюгин В.Д., Пареньков А.Е., Скуридин Ф.Л.

Экспертная система расчёта материального баланса и экономики доменной печи [В экспертной системе мастера доменной печи использован принцип комплексного моделирования подмоделей логики, материального баланса и экономики] // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -2008. - №5. - С. 57 - 60. - Библиогр.: с. 60.

13. Иванов Е.Б. Экспертная система мастера доменной печи [Описывается общая структура и новизна работы при моделировании экспертной системы металлургического агрегата] // Автоматизация в промышленности. - 2008. - ноябрь. - С. 13 -17. - Библиогр.: с. 17.

14. Иванов Е.Б. Алгоритм принятия решений в экспертных системах сложных технологических объектов [Представлен алгоритм наиболее

рационального принятия решений в управлении доменной печыо] // V Всероссийская школа - семинар (конференция) молодых учёных «Управление большими системами (УБС'08)»: сб. науч. тр. / Липецкий гос. тех. ун-т. - Липецк, 2008. - Т.2. - С. 49 - 58. - Библиогр.: с. 58.

15. Иванов Е.Б. Отказоустойчивость в экспертных системах металлургических объектов [Представлена взаимосвязь подмоделей системы поддержки принятия решений доменной печи с учетом дублирования парамтсров] // Российская конференция с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения (УКИ'08)»: сб. науч. тр. / Ин-т проблем управления РАН. - Москва, 2008. - С. 912 - 914. - Библиогр.: с. 914. - ISBN 978-591450-022-8

16. Иванов Е.Б. Разработка экспертной системы чугунвыплавляющего агрегата [Представлена реализация комплексной логической модели поддержки принятия решений по управлению доменной печыо] // IV международная конференция по проблемам управления «МКПУ- 2009»: сб. науч. тр./ Ин-т проблем управления РАН. - Москва, 2009. - С. 1474 -1477. - Библиогр.: с. 1477,- ISBN 978-5-91450-026-6

Личный вклад автора, в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в следующем: в [1,2] - разработаны логические правила в управлении доменным процессом на базе технологических инструкций мастеров, в [4] - проведены аналитический контроль продукции, статистика результатов и их интеграция в комплексную модель, в [5] - рассчитаны перераспределения кремния, марганца и углерода между чугуном и шлаком при различных температурах и давлениях дутья, в [6] - разработана компьютерная программа, которая зарегистрирована в качестве тренажера доменной печи для повышения квалификации обслуживающего персонала, в [7] - комплексная логическая модель доменного процесса адаптирована в модель шахтной печи и проведены ее промышленные испытания на ОАО "Южуралникель", в [8] - усовершенствованы логические правила по законам трехзначной логики, введены дополнительные технологические параметры (расход кокса, производительность) работы объекта, в [12] - проведено комплексное моделирование балансовой и экономической моделей.

Подписано в печать:

04.03.2009

Заказ № 1667 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Введение.

Глава 1. Современное представление доменного процесса.

1.1. Описание основ исследуемого процесса.

1.1.1. Строение доменной печи.

1.1.2. Принципы ведения плавки.

1.1.3. Аварийные зоны доменной печи.

1.2. Анализ существующих подходов к управлению процессом производства чугуна.

1.3. Обоснование разработки системы управления доменным процессом с использованием принципов поддержки принятия решений.

1.3.1. Функции и выполняемые задачи.

1.3.2. Классификация советчиков.

1.3.3. Применение системы в качестве тренажёра.

Глава 2. Комплексная логическая модель поддержки принятия решений по управлению доменным процессом.

2.1. Общая характеристика главы.

2.2. Системное проектирование комплексной модели.

2.3. Описание логической модели доменного процесса.

2.3.1. Составление правил в трёхзначной логике на основе знаний экспертов.

2.3.2. Проработка правил в булевой логике.

2.3.3. Алгоритм системы поддержки принятия решений.

2.4. Балансовая модель Рамма - Похвистнева.

2.4.1. Входные и выходные параметры.

2.4.2. Производимые расчёты.

2.5. Технологическая модель производства чугуна. 98 2.5.1. Входные и выходные значения.

2.5.2. Расчёты ведения доменной плавки.

2.6. Физико-химическая модель.

2.6.1. Входные и выходные параметры перераспределения кремния и марганца.

2.6.2. Контроль качества продукции.

2.7. Экономическая модель.

Глава 3. Разработка пользовательского интерфейса системы поддержки принятия решений и применение полученных результатов.

3.1. Требования к интерфейсу.

3.1.1. Выбор прототипа советчика.

3.1.2. Средства реализации.

3.2. Внедрение системы поддержки принятия решений по управлению доменным процессом на производстве и в учебном процессе.

3.3. Применение разработанной системы для технологических объектов, соответствующих классу доменной печи.

Современные производства металлургической промышленности характеризуются резким ростом единичных мощностей, интенсификацией процессов. Как показывает анализ аварий и нештатных ситуаций в сложных системах, до 70-х годов XX века доля аварий по причине техники составляла 80%, а по причине человека 20% [1]. В последнее время, в силу повышения надёжности и функциональности технических средств, ситуация поменялась на обратную. Теперь доля ошибок человека значительно превышает технические сбои, что является следствием переоценки его возможностей как звена в системе управления. Следовательно, необходимо максимально, на сколько это возможно, перевести технологические процессы на уровень автоматизации или обеспечить технолога (оператора) советчиком в качестве системы управления и контроля процессом в безаварийном режиме.

Одним из наиболее опасных высокотемпературных объектов является доменная печь - непрерывно действующий агрегат шахтного типа, предназначенный для выплавки чугуна и ферросплавов [2]. Практикой установлена оптимальная конфигурация внутреннего пространства печи - её профиля. Общая высота внутреннего пространства составляет 25-30 м, а с учетом того, что она несколько приподнята на фундаменте и над колошником установлено загрузочное устройство и газоотводы, то верхняя её точка находится над поверхностью земли на уровне 60-70 м. Течение процесса основано на противотоке шихтовых материалов и горячих газов. Регулирование сверху производится с помощью изменения интенсивности загрузки шихты. Регулирование снизу осуществляется изменением параметров дутья (расход, температура, влажность).

В России первые доменные печи были построены на реке Тулгще (недалеко от г. Тулы) в 1632 г., первый уральский чугун был получен в 1701 г. на Каменском заводе. Однако началом автоматизации доменного процесса можно считать 1937 г., когда А.Н. Похвисневым (Московский государственный институт стали и сплавов - МГИСиС) был впервые разработан алгоритм автоматического управления доменной печью. В 1941 г. А.Н. Рамм (Ленинградский государственный технологический институт -ЛГТУ) первый в мире предложил эффективный метод расчета удельного расхода кокса на доменную плавку балансовая модель.

Совершенствование балансовых расчетов было связано с созданием теории теплообмена в доменной печи [3], на основании которой в столбе шихтовых материалов выделяются 3 зоны (ступени) теплообмена. Верхняя и нижняя ступень характеризуется интенсивным теплообменом газа и шихты. В средней части, названной «термически» резервной зоной, теплообмен замедлен. Такой характер протекания теплообменных процессов в современной доменной печи свидетельствует о том, что определяющей в потреблении тепла является нижняя зона. Это привело к созданию зональных тепловых балансов доменной плавки [4, 5].

Стремление создать автоматизированные системы управления доменным процессом привело к разработке комбинированных моделей процесса, балансовые уравнения которых, описывающие базовое протекание процесса, дополняются алгоритмами первичной обработки технологической информации, функциональными моделями, учитывающими динамику процесса и управляющими.

За рубежом для анализа и прогноза показателей доменной плавки при различных ее условиях широко применяется балансовая математическая модель доменного процесса, базирующаяся на зональном подходе Риста к теплообмену, получившая развитие в работах Писи кДевенпорта [6].

К преимуществам данной модели можно отнести простоту и высокую адекватность в части оценки расхода топлива на процесс. При этом модель не требует использования в качестве входных данных комплексных параметров процесса (например, степень прямого восстановления, температуры колошникового газа и т.п.). В то же время ее использование в чистом виде для имитации процесса не представляется возможным, так как она построена для ограниченных плавок и не позволяет рассчитать производительность печи.

Существенным недостатком балансовых моделей является то, что потери тепла в ней задаются постоянными (на 1м). Также не учитывается влияние на потери тепла размеров печи, а также интенсивности охлаждения и характера газораспределения в печи.

Одни из первых тренажёров в доменной производстве были разработаны в 80-х годах XX в. на базе аналоговых вычислительных машин МН-7 В. А. Доброскоком (МГИСиС) [3]. С начала 90-х годов ведутся разработки экспертных систем в качестве советчиков в Австрии (фирма ¥А1гоп), Финляндии (фирма ЯаШагииЫ), Японии (фирма ПгБ1А1ртё) и России (Институт машиноведения УроРАН под руководством д.т.н. Чистова В.П. при консультации МГИСиС) [7-9].

В Институте проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН известны аналогичные работы д.т.н. Челюсткина А.Б. по автоматизации прокатных станов и по горячей прокатке бесшовных труб д.т.н. Райбмана Н.С. (работы удостоены государственных премий). Собственно, методы компьютерной поддержки принятия решений при выполнении технологического регламента производственных процессов для дискретно-непрерывных производств -работы д.т.н. Щковича Э.Л. Известны работы д.т.н. Буркова В.Н. — разработки и внедрение автоматизированных систем согласованного планирования на металлургических предприятиях. Также известны работы акад. Васильева С.Н. по трехуровневой экспертной системе дуговой сталеплавильной печи [10-14].

Сложность описания изучаемого объекта заключается в том, что он является закрытым и посмотреть, что происходит внутри, не представляется возможным. Накопленные научные знания позволяют соблюдать технологию плавки и являются непременным условием высокопроизводительной и безаварийной работы домны. Однако даже для очень опытного мастера при наличии более 3 параметров возникают затруднения по ведению процесса в нормальном режиме. Поэтому целесообразно доменные печи оснащать системами управления и контроля, помогающими оператору в каждой конкретной ситуации принимать правильное решение.

Принятие решений - каждодневная деятельность человека, часть его повседневной жизни. Простые, привычные решения человек принимает легко, часто автоматически, не очень задумываясь. В сложных и ответственных случаях он обращается к друзьям, родственникам, опытным и знающим людям за подтверждением своего решения, несогласием с ним или за советом: каким могло бы быть другое решение. Часто обращаются к книгам, в том числе и религиозным, даже астрологии и гаданиям. Такие обращения - это процесс поддержки принятия решения.

Принятие решения в большинстве случаев заключается в генерации возможных альтернатив решений, их оценке и выборе лучшей альтернативы.

Появление подобных систем связано с необходимостью предотвращения аварийных ситуаций и снижения числа простоев на производстве, а также массовой подготовкой специалистов для работы либо на однотипном оборудовании, либо со схожими рабочими действиями. Но только в последней четверти уходящего века с созданием сложнейшей техники, эксплуатация которой связана с риском для жизни, возникла целая индустрия - разработка советчиков и тренажерные технологии.

В настоящее время в Институте проблем управления РАН разработана принципиально новая система поддержки принятия решений (СППР) по управлению доменным процессом на основе комплексной логической модели. Одно из главных требований, предъявляемых к системе, является подобие информационной модели реальному объекту. Данная система совмещает в себе функции советчика мастера металлургического процесса для соблюдения нормального режима работы объекта и получения качественной продукции, а также тренажёра для повышения квалификации персонала и обучения студентов старших курсов вузов технических специальностей.

Разработанная C1J11P по управлению доменным процессом в качестве советчика мастера отвечает на вопрос "что произойдёт если.", а также сама анализирует и подсказывает оператору правильность решений; использует принцип гетерогенного моделирования, объединяя несколько разнородных моделей в одну, тем самым предоставляя достаточно полное описание технологического процесса; выдаёт советы оператору по соблюдению нормального режима работы объекта, включая возникновение аварийных ситуаций, и получению качественной продукции. Система в качестве тренажера обучает решению задач с разветвленным деревом допустимых решений, на основе динамической модели, автономной с функциями обучения, тренировки и контроля.

Принципиальное отличие между разработанной системой, советчиком и тренажёром заключается в постановке выполняемых ими задач. Система управления и контроля необходима для соблюдения технологического режима, предотвращения аварийной ситуации, получения качественной продукции. Советчик — для выдачи советов мастеру по ведению технологического режима. Тренажёр для повышения квалификации технологического персонала и обучения студентов старших курсов вузов технических специальностей.

СППР написана на языке программирования Delphi, который относится к объектно-ориентированному подходу программирования.

В качестве модели контроля служит логическая динамическая модель на базе трехзначной логики и технологических инструкций мастеров. Модель рассматривает вопросы безаварийного управления объектом с учётом качества продукции и экономики.

Логическая модель СППР состоит из 16 элементов или логических таблиц и является более совершенной по сравнению с аналогичными системами [8,9] за счёт введения дополнительных показателей плавки чугуна. Так как данная модель основывается на трехзначной логике -предполагается, что нормальные значения наблюдаемых параметров определены интервалом Х1 + Д, в пределах которого X, принимает значение "норма" (=). За пределами этого интервала параметр считается "больше нормы" (>) либо "меньше нормы" (<).

Так как современные ЭВМ построены на двоичной логике, то для реализации в ней трехзначной функции представляли в двоичной форме [15]. Под рациональным машинным представлением 3-значных функций представлен результат двухэтапной процедуры: двоичное кодирование функции и их совместное представление в виде обобщенной формы (дизъюнктивной или арифметической). Традиционный подход к двоичному представлению состоит в следующем. Троичная переменная заменяется парой двоичных переменных, имеющих четыре состояния, из которых выбираются три для кодирования. Тем самым всякий троичный (п, т) -полюсник интерпретируется двоичным (2п, 2т) - полюсником. Было показано, что более рационально троичное кодирование, когда полюсник интерпретируется следующим троичным значением (3 п, Зт). Для этого можно выбрать следующее кодирование состояний: меньше нормы — 100; норма — 010; больше нормы — 001.

В диссертационной работе решается задача разработки комплексной модели технологического процесса и ее интеграция в автоматизированную систему поддержки принятия решений с использованием уже существующих расчетных моделей в режиме реального времени.

Суть работы заключается в усовершенствовании и объединении известных моделей доменного процесса в комплексную модель с использованием логической модели поддержки принятия решений как основной. Моделирование заключается в основной работе логической модели и её интеграцией с балансовой и технологической, которые влияют по соответствующим каналам связи на модели: экономическую, физико-химическую и безопасности жизнедеятельности. Контрольной точкой получения результата (качественной продукции) является модель аналитического контроля.

Такая последовательность объединения моделей заключается в решаемых ими задачах. В первую очередь мастеру необходимо рассчитать приход/расход шихтовых материалов (балансовая модель). Во — вторых, определить технические и технологические особенности работы доменной печи при заданном расходе материалов (технологическая модель). Затем, с учетом предыдущих моделей определить перераспределение физико-химических элементов между чугуном и шлаком при заданной температуре и давлении дутья в печи (физико-химическая модель). В итоге, получить расчетные данные по улучшению/ухудшению качества продукции (аналитическая модель). В случае необходимости мастер может провести расчеты по себестоимости получаемой продукции (экономическая модель) и безопасности жизнедеятельности персонала (модель безопасности жизнедеятельности).

Проведенная работа предоставляет возможность мастеру определения точных уставок ведения процесса по существующим управляющим и наблюдаемым параметрам, а также последовательный расчет баланса шихтовых материалов, технологии выплавки чугуна, физико-химического перераспределения элементов между чугуном и шлаком при заданной температуре и давлении дутья, качества продукции.

Модель доменной печи можно считать управляемой, если из любого её состояния существует цепь переходов в нормальный режим функционирования. Контроль управляемости осуществляется путем последовательного перевода модели во все возможные состояния, для каждого из которых формируются варианты управляющих воздействий с условием поддержки принятия решений.

Также был рассмотрен вопрос по затрачиваемому времени на выведение доменной печи из возможного аварийного состояния. Оказалось, что советчик в среднем в 2 4 раза быстрее помогает мастеру обработать полученную информацию и провести кардинальные изменения в работе доменной печи.

Впервые система управления и контроля нештатными ситуациями была внедрена в качестве тренажёра в учебный процесс Московского института стали и сплавов (Новотроицкий филиал) в 2007 году. Для студентов кафедры чёрной металлургии были прочитаны лекции и проведены семинарские занятия по курсу "Моделирование объектов и процессов в металлургии", на которых рассматривались вопросы безаварийной работы домны и повышения квалификации обслуживающего персонала. На сегодняшний день данная система имеет свидетельство об официальной регистрации компьютерных программ для ЭВМ (№2007613391) [16].

Итак, цель работы заключается в разработке, исследовании и внедрении комплексной логической модели автоматизированной системы поддержки принятия решений по управлению доменным процессом, обеспечивающей требуемое качество продукции, улучшение ровности хода и технологии плавки, сокращение числа простоев и аварийных ситуаций.

Достижение указанной цели требует решения следующих задач:

• разработка логической модели системы поддержки принятия решений (СПГТР) по управлению доменным процессом, учитывающей технологические инструкции;

• для определения уставок логической модели разработка комплексной логической модели СППР на основе аналитических моделей (балансовой, технологической, физико-химической, аналитической, экономической моделей и модели безопасности жизнедеятельности);

• разработка программной реализации СППР на основе комплексной логической модели;

• внедрение разработанных моделей и программной реализации СППР в качестве советчика по управлению реальным доменным процессом для повышения квалификации обслуживающего персонала, а также в качестве тренажера в учебный процесс вузов металлургических специальностей.

Для решения поставленных задач использовались методы математической логики, булевой алгебры и алгоритмов, теории принятия решений и проектирования логических схем.

Научная новизна работы определяется следующими основными научными результатами, полученными автором диссертации:

1. Предложено формальное описание технологических инструкций по управлению доменным процессом в виде набора секвенций, представляющих правила управления объектом.

2. Разработан метод построения логической структуры принятия решений, используемый для создания СППР по управлению доменным процессом. Метод основан на структурировании правил управления по исполнительным механизмам процесса.

3. Разработана и обоснована структура связей между моделями (логическая, балансовая, технологическая, физико-химическая, аналитическая, экономическая, безопасности жизнедеятельности) в комплексной логической модели поддержки принятия решений, что предоставляет оператору доменной печи точный и последовательный расчет баланса шихтовых материалов, технологии выплавки чугуна, физико-химического перераспределения элементов между чугуном и шлаком при заданной температуре и давлении дутья, а также параметры качества продукции и эффективности производства.

4. Разработаны алгоритм получения уставок (на основе анализа технологических инструкций, последовательности набора секвенций и структуры связей между моделями) и алгоритм принятия решений по управлению доменным процессом, соответствующий данным уставкам.

Предложенный в работе подход позволяет повысить производительность доменного процесса (за счёт сокращения времени стабилизации, т.е. времени приведения работы объекта в состояние нормы), поднять уровень безопасности (вследствие прогнозирования и моделирования процессов на ранних стадиях проектирования), а также предоставляет обслуживающему персоналу дополнительные эффективные средства в качестве советчика для принятия решений в реальных условиях. Предложенная комплексная логическая модель доменного процесса использована в виде компьютерной программы при организации учебного процесса в вузах, в том числе, для создания соответствующих тренажёров операторов доменного процесса. Эффективность разработанной модели подтверждается её реализацией в виде используемого на практике программного комплекса.

Как законченные программные продукты, результаты диссертационной работы официально зарегистрированы в виде программы для ЭВМ (№ 2007613391 "Экспертная система (тренажёр) доменной печи" от 13 августа 2007 г.), а также внедрены в доменных цехах ОАО "Уральская сталь", ОАО "КМЗ", на шахтных печах ОАО "Южуралникель" и в учебном процессе. Московского государственного института стали и сплавов (Новотроицкий филиал), что подтверждено актами и справками о внедрении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Предложено формальное описание технологических инструкций по управлению доменным процессом в виде набора секвенций, представляющих правила управления объектом.

2. Разработан метод построения логической структуры принятия решений, используемый для создания СППР по управлению доменным процессом. Метод основан на структурировании правил управления по исполнительным механизмам процесса, что позволяет сократить число ошибок при проектировании и упростить проверку правильности создания подобных схем.

3. Разработана логическая модель поддержки принятия решений, которая выдает советы в удобном для оператору доменной печи виде (больше нормы (>), норма (=), меньше нормы (<)), что позволяет ему принимать оперативные решения по рациональному ведению технологического процесса доменной печи.

4. Разработана и обоснована структура связей между моделями (логическая, балансовая, технологическая, физико-химическая, аналитическая, экономическая, безопасности жизнедеятельности). Выявленная структура связей положена в основу предложенной в диссертации комплексной логической модели поддержки принятия решений.

5. На основе анализа технологических инструкций, последовательности набора секвенций и обоснованности структуры связей между моделями разработаны алгоритм получения уставок и алгоритм принятия решений по управлению доменным процессом, соответствующий данным уставкам.

6. Разработана программная реализация комплексной логической модели поддержки принятия решений для оператора доменного процесса, реализующая предложенную в диссертации информационную технологию, и предоставляющая инструменты для работы оператора в режимах "тренажер" и "автомат".

7. Разработанная в диссертации система поддержки принятия решений по управлению доменным процессом внедрена в доменных цехах ООО "Уральская сталь" (Орско - Халиловский металлургический комбинат), ОАО "КМЗ" (Косогорский металлургический завод), на шахтных печах ОАО "Южуралникель" (Южно - уральский никелевый комбинат), а также в учебном процессе Московского института стали и сплавов (Новотроицкий филиал), что подтверждено актами и справками о внедрении.

1. Доброскок В.А. Моделирование и оптимизация объектов и систем управления отрасли Моделирование металлургических объектов, в частности доменного процесса выплавки чугуна. / В .А. Доброскок М.: МИСиС, 1990. - 125 с.

2. Мишар Ж. Тепловые балансы и теплообмен доменной печи Расчет теплового и материального баланса доменной плавки при соответствующих условиях. / Ж. Мишар -М.: Металлургия, 1963. 152с.

3. Кптаев Б.И. Теплообмен в доменной печи Представление доменного процесса с точки зрения теплового баланса и распределение его на три лимитирующие зоны. / Б.И. Китаев, Ю.Г. Ярошснко, Б.Л. Лазарев М.: Металлургия, 1966. - 352с.

4. Челюсткин А.Б. Автоматизация процессов прокатного производства В трудах рассматривается работа по автоматизации прокатного стана, впервые предложенная автором, удостоенная Ленинской премии. / А.Б. Челюсткин М.: Металлургия, 1971 г., 296 с.

5. Райбман Н.С. Адаптивные модели в системах управления Системы адаптивного управления применительно к бесшовному прокату стальных труб. / Н.С. Райбман , В.Н. Чадеев М.: Советское радио, 1966. - 160 с.

6. Леонов Ю.П. Помощник автоматики Рассматривается система в качеств помощника оператора прокатного производства. / Ю.П. Леонов, С.Я. Раевский, Н.С. Райбман М.: АН СССР, 1961. - 118 с.

7. Бурков В.Н. Введение в теорию активных систем Рассмотрен подход использования обучающихся систем, определяющих конкурентную способность операторов металлургических производств. / В.Н. Бурков, В.А. Новиков М.: ИПУ,14.