Публикации: АСУТП Теория и технология Научные работы Главная

Труды шестого конгресса сталеплавильщиков
(г. Череповец, 17—19 октября 2000 года)
М.: Черметинформация, 2001. — С. 300—308.

Создание системы автоматического ведения плавки в ДСП как первый шаг развертывания интеллектуальных систем управления в сталеплавильном производстве

А.В. Старосоцкий, А.К. Бабичев, И.В. Деревянченко

Интенсификация технологических процессов в электросталеплавильном производстве в условиях жестких требований к их технико-экономическим показателям требует привлечения высококвалифицированного и опытного технологического персонала, однако рынку труда становится все труднее справляться с этой задачей. Аккумуляция знаний и опыта, накопленных металлургической наукой, в системах управления является одним из средств её решения. Системы управления, построенные на этой основе называют интеллектуальными, или основанными на знаниях (Knowledge Based Systems).

Цель статьи — изложить принципы построения системы автоматического ведения плавки (САВП) на базе пакета ОРАКУЛ [1—4] в составе систем управления технологическими процессами электросталеплавильного цеха Молдавского металлургического завода. Работа по ее созданию основывается на следующих предпосылках:

  1. Металлургическая наука располагает обширным опытом теоретического описания сталеплавильных процессов, преложено большое число математических моделей, в той или иной мере суммирующих этот опыт.
  2. Имеется широкий выбор технических и программных средств, с помощью которых созданы эффективные системы базовой автоматизации в электросталеплавильном производстве.
  3. В отечественной и зарубежной металлургии накоплен опыт разработки и успешного применения отдельных программно-технических модулей, которые могут служить элементами системы автоматического ведения плавки.
  4. Авторам статьи пока неизвестны примеры реализации целостной системы такого рода в сталеварении.

В качестве исходных данных для работы САВП может быть использовано формализованное задание на плавку. В общем случае задание на плавку САВП включает:

Формализация марки стали в том или ином виде выполняется практически на каждом металлургическом предприятии. В качестве формализованной характеристики марки стали, например, используются технологические карты и их представление в технологической базе данных. Преобразование такой формы в необходимый для самой САВП производится дополнительно. Система ОРАКУЛ на ММЗ использует следующие данные из технологической карты:

Форма представления характеристик механизмов и устройств, применяемых в электрометаллургии, в общем случае содержит следующее:

Приблизительно так описано понятие «устройство» в блоке проектирования плавки системы ОРАКУЛ на ММЗ. При формализации характеристик самой печи (ковша) кроме указанных выше параметров используется понятие «геометрические и конструктивные особенности печи», которые позволяют, например, определить момент начала удаления шлака из печи (ковша) (самотеком, либо принудительно) и рассчитать массу удаленного из печи (ковша) шлака, используя эту информацию и в тепловой модели.

Описание используемых материалов и энергоносителей должно содержать информацию:

Особое место среди используемых материалов занимает лом, так как:

Система оптимизации ориентирована на выпуск плавки с минимальной себестоимостью тонны жидкого металла. Дополнительные требования, как элемент задания на плавку, будут зависеть от особенностей конкретного производства. В качестве дополнительных условий оптимизации для системы ОРАКУЛ на Молдавском металлургическом заводе планируется реализовать (а частично уже реализованы), например, такие:

Иначе говоря, задание на плавку определяет что, какими средствами и в каких условиях должна сделать САВП.

Для нормального функционирования САВП необходимо определить минимальный и рациональный объемы информации о ходе технологического процесса. В качестве рационального объема предложен следующий перечень информации:

Следует отметить, что получить достоверную информацию о массе «болота» крайне затруднительно. В системе ОРАКУЛ на ММЗ используется расчетные (а не измеренные) значения массы болота и шлака, оставшиеся в печи после выпуска предыдущей плавки, для чего постоянно отслеживается вес металла в ковше на сливе и изменение «геометрических и конструктивных параметров» печи по ходу всей плавки (например — наклон печи).

Приведенный выше перечень информации может оказаться избыточным или недостаточным для других САВП. В нашем случае он отражает текущие потребности системы ОРАКУЛ и частично автоматизированной системы формирования паспорта плавки на Молдавском металлургическом заводе.

Особое значение для САВП имеет эффективный модуль определения этапов плавки и текущего состояния процессов в печи по прямым и косвенным признакам, например — по спектрам тока или напряжения дуги. На ММЗ ведётся работа по созданию модуля мониторинга технологического процесса на основе методов распознавания образов. Его интеграцию в систему ОРАКУЛ планируется осуществить в ближайшее время.

Вид управляющих воздействий на механизмы и устройства определяется формализованными характеристиками устройства в задании на плавку. Как правило, это интенсивность отдачи в печь присущего конкретному устройству материала (энергоносителя). Для сыпучих материалов можно использовать разовые дозы отдачи материала.

В качестве аппаратных средств базовой автоматизации, непосредственно управляющих устройствами очень часто используются контроллеры. По мнению авторов статьи предпочтительнее использовать с этой целью средства, предоставляемые изготовителями промышленных компьютеров и УСО для них. Подробнее необходимо сказать о месте регулятора тока в системе САВП и организации взаимодействия с ним.

  1. Регулятор тока (мощности, импеданса) является составной, очень важной частью базовой автоматизации, обеспечивающей работу системы автоматического ведения плавки.
  2. Основная задача регулятора — обеспечить эффективное использование мощности трансформатора. Для этого современный регулятор должен обладать своими вычислительными ресурсами.
  3. В число функций регуляторов тока часто пытаются включать задачи проектирования плавки и оптимизации процессов («энерготехнологическое» направление). Очень хочется верить, что производители таких регуляторов сумели достичь требуемой компетенции в вопросах не только использования электрических устройств, но и в вопросах компьютерных технологий и металлургии в целом.

Представляется целесообразным следующее взаимодействие регуляторов тока с системой моделирования:

  1. регулятор в качестве задания принимает от системы моделирования в удобном для него виде, уставку, характеризующую мощность, которую необходимо подвести в печь от трансформатора, и выполняет это задание;
  2. регулятор выполняет любые доступные ему операции, необходимые для адекватного выполнения полученного задания, не дублируя работу САВП. Другие системы базового уровня автоматизации поставляют регулятору необходимую для этого информацию;
  3. регулятор передает (если он способен это сделать) в систему моделирования информацию о полученном задании и о текущих гармонических составляющих и среднеквадратичных значениях тока и напряжения.

Ядром системы автоматического ведения плавки является система моделирования, способная:

Исходя из перечисленных выше задач ядра, в нем условно можно выделить несколько модулей:

При такой структуре ядра его модули решают следующие задачи:

Модуль тепловой модели:
  • расчет температуры стали;
  • расчет доли расплавленной шихты.
Модуль расчета текущего состояния и прогнозирования:
  • расчет химического состава стали;
  • расчет химического состава шлака;
  • расчет условного химического состава нерасплавленной шихты;
  • расчет массы сошедшего шлака;
  • расчет массы жидкой стали;
  • расчет массы и состава шлака и болота, остающегося в печи после выпуска плавки;
  • расчет ожидаемых технико-экономических показателей плавки;
  • поиск экстремума целевой функции.
Модуль проектирования плавки:
  • расчет и выдача управляющих воздействий для всех устройств в ходе процесса выплавки стали, необходимых для выполнения задания на плавку;
  • оптимизация расхода материалов и ресурсов в соответствии с заданием на плавку.
Модуль планирования потребностей производства:
  • расчет заявки на поставку материалов и энергоресурсов, исходя из перспективного плана производства;
  • оценка эффективности применения альтернативных видов материалов и энергоресурсов для выплавки заданных марок стали.

Условность в данной трактовке назначения каждого из модулей ядра САВП заключается в том, что любая из задач ядра САВП решается не отдельным модулем, а в тесном взаимодействии нескольких, а иногда и всех, модулей ядра. Так, например, модуль расчета текущего состояния и прогнозирования не сможет обеспечить должной точности без достоверной информации от тепловой модели. Модуль проектирования плавки, не только использует результаты работы тепловой модели и модуля расчета текущего состояния и прогнозирования в качестве исходных данных для работы, но и неоднократно «привлекает» эти модули в процессе поиска оптимального способа выполнения задания на плавку. Упрощенная структурная схема системы ОРАКУЛ, используемой в качестве ядра САВП ОРАКУЛ, представлена на рис. 1 и описана ниже:

Рис.1 Упрощенная структурная схема системы ОРАКУЛ на ДСП—2 ММЗ.

  1. ОРАКУЛ-клиент — один из основных расчетных модулей системы. В рамках этого процесса выполняется тепловая модель и расчет текущего химического состава стали, шлака и отходящих газов. Необходимая для расчетов информация запрашивается у ОРАКУЛ-сервера (связь 1). Процесс планирует свою работу и работу модуля ОРАКУЛ-проект (связь 3 - разрешение работы процесса ОРАКУЛ-проект, связь 4 — получение информации о результате расчета). В качестве исходного материала для расчетов может служить не только текущая информация о ходе процессов на агрегатах электросталеплавильного производства (эта информация поставляется ОРАКУЛ-сервером — связь 2), но и «историческая» информация о ходе прошедших плавок, получаемая из локальной базы данных (связь 16). Это удобно при отладке ядра, т.к. ОРАКУЛ-клиент поддается настройке.
  2. ОРАКУЛ-проект на основании информации о текущем состоянии процессов выполняет расчет оптимальных управляющих воздействий для всех устройств, участвующих в производстве стали на данном агрегате, для достижения заданного результата. Задание на плавку запрашивается у ОРАКУЛ-сервера (связь 7). Содержание задания на плавку, передаваемого ОРАКУЛ-сервером (связь 8) было описано выше. Результаты расчета передаются ОРАКУЛ-регулятору (связь 5).
  3. ОРАКУЛ-регулятор осуществляет преобразование управляющих воздействий, рассчитанных ОРАКУЛ-проектом в вид, воспринимаемый устройствами сталеплавильного агрегата (непосредственно или при участии системы базовой автоматизации — связь 6).
  4. ОРАКУЛ-сервер — основной процесс, обеспечивающий взаимодействие расчетных модулей с системами базовой автоматизации, технологической базой данных и оператором системы. Получая запросы от процессов системы (связи 1, 7, 11), ОРАКУЛ-сервер готовит соответствующую информацию и передает ее потребителям. Кроме того, этот процесс ведет запись в локальную базу данных информации о работе системы в ходе плавки (связь 13). Эта информация может быть в дальнейшем использована, например, для формирования некоторых отчетных форм с помощью ОРАКУЛ-отчета.
  5. ОРАКУЛ - MMI (man machine interface) предназначен для оперативной и «исторической» визуализации технологического процесса в том виде, каким он представляется системе ОРАКУЛ. Так как система конфигурируема и настраиваема под конкретные условия производства, то ОРАКУЛ-MMI служит и для обеспечения взаимодействия технологического персонала с системой в целом в процессе настройки и подстройки.
  6. ОРАКУЛ-имитатор позволяет в реальном масштабе времени «проиграть» записанные ранее ОРАКУЛ-сервером плавки. Это удобно и для настройки системы, и для анализа действий системы (и/или технологического персонала) в ходе плавки, и для обучения персонала.

К достоинствам такой структуры можно отнести ее модульность. Так, например, в приведенной выше схеме отсутствует модуль планирования потребностей производства, так как на Молдавском металлургическом заводе решили пока не заниматься его внедрением. В ближайшее время планируется создать модуль ОРАКУЛ-тренажер, предназначенный, например, для обучения и аттестации технологического персонала.

На основе варианта системы ОРАКУЛ на ММЗ создан, так называемый, «Редактор хода плавки», позволяющий реализовать режим «что если». С помощью данного модуля можно проанализировать ход уже прошедших плавок или создать на их основе или «с нуля» проект ведения новых плавок. Этот модуль применим, например:

Построение эффективной системы автоматического ведения плавки невозможно без учета следующих факторов, определяющих выбор программных и аппаратных средств для реализации САВП:

  1. периодичность получения и выдачи управляющих воздействий механизмам и устройствам, а также скорость обработки необходимой информации должна соответствовать скорости процессов в реальной плавке;
  2. ритмичность производства и качество продукции во многом будут зависеть от устойчивости и восстанавливаемости каждой составляющей части системы;
  3. возможность дальнейшего развития, модернизации и наращивания системы в целом должна закладываться на каждом этапе ее создания.

Уважая выбор каждого предприятия и разработчика, хочется отметить, что с точки зрения авторов данной статьи оптимальный на сегодняшний набор программно-аппаратных средств, на котором необходимо строить САВП, следующий:

  1. Промышленные компьютеры и устройства связи с объектами (УСО) семейства Advantech и подобные, так как поддержка ими принципа «открытой архитектуры» (в отличии от большинства контроллеров) позволяет:
  2. Операционная система реального времени QNX с протоколом FLEET для обеспечения межзадачного обмена, так как ни одна из других известных сегодня авторам статьи операционных систем пока не может обеспечить сопоставимого уровня быстродействия, устойчивости и «масштабируемости» в системах управления технологическими процессами.
  3. Технологическая база данных на основе Sybase SQL Anywhere, графический интерфейс пользователя Photon, компилятор Watcom C/C++, так как именно эти программные продукты позволяют использовать возможности операционной системы QNX в системах управления технологическими процессами в полном объеме;
  4. Система ОРАКУЛ в качестве ядра САВП, об особенностях и достоинствах которой подробнее можно узнать из [1—4], кратко, выполняет следующие функции:

Попытки построить эффективную систему автоматического ведения плавки за счет статистических моделей и наращивания ресурсов аппаратных средств бесперспективны, если при этом не обеспечить применение эффективных методов анализа и расчетов, их программную реализацию и адекватное использование.

Своеобразие внедрения САВП состоит в том, что это не изолированный объект, сдаваемый «под ключ», а поэтапная автоматизация интеллектуального труда лиц, принимающих решение (ЛПР) [5], начиная от сталевара. Развертывание подобной системы должно предполагать окупаемость на каждом этапе и широкое вовлечение в процесс ее создания персонала конкретного предприятия.

Организационные аспекты внедрения такой системы должны включать:

Утвержденная структура САВП прежде всего должна содержать информацию:

В ближайшие годы следует ожидать интенсивного развития интеллектуальных систем управления, направленных на реализацию наиболее продуктивной функции компьютерных АСУ — оптимального управления. Отличительной особенностью таких систем является наличие ядра в виде модели, суммирующей обширный круг предметных знаний, относящихся к функционированию объекта управления. Первым шагом развёртывания интеллектуальной системы на сталеплавильном предприятии, на наш взгляд, должна быть создана система ведения плавки в автоматическом режиме (САВП).

В статье изложены практические аспекты построения такой системы, принятые на ММЗ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.

  1. Пономаренко А.Г. Термодинамическая модель плавки и проблема построения детерминированной модели сталеплавильного процесса. // Металлы. - 1992, ╧1, с.42-48.
  2. Храпко А.С. Термодинамическая модель системы металл - шлак - газ для АСУ и машинных экспериментов по оптимизации технологии сталеплавильного процесса.: Дисс. канд. техн. наук. - Донецк.: Донецк. полит. институт, 1990.
  3. Храпко С.А., Иноземцева Е.Н., Харченко А.В. Термодинамическая модель системы металл-шлак-газ и интегрированная система «Оракул»: использование для прогнозных расчётов и управления в составе АСУТП и разработки сталеплавильных процессов. - В кн.: Тезисы докладов «Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии«. - Новокузнецк, 1991. С. 222 - 223.
  4. Пономаренко А.Г., Гуляев М.П., Деревянченко И.В., Храпко С.А. и др. Промышленное освоение компьютерного управления выплавкой стали на БМЗ и ММЗ на основе физико-химической модели «ОРАКУЛ». // Труды пятого конгресса сталеплавильщиков. - Москва. - 1999.
  5. Производственные системы с искусственным интеллектом / Алиев Р. А. и др. - М.: Радио и связь, 1990. - 264 с.

© А.В. Старосоцкий, А.К. Бабичев, И.В. Деревянченко, 2000

Вверх