Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
Учреждение Национальный исследовательский технологический университет Московский институт стали и сплавов На правах рукописи
Ишметьев Евгений Николаевич
Корпоративные системы автоматического управления и оптимизации технологических процессов в схеме производства стали шихтоподготовка - электросталеплавильные переделы - внепечная доводка стали
Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в металлургии)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва 2010 г.
Работа выполнена на кафедре Компьютерные информационные и управляющие системы автоматики Национального исследовательского технологического университета Московский институт стали и сплавов.
Научный консультант: Заслуженный деятель науки России, доктор технических наук, профессор Салихов Зуфар Гарифуллович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Климовицкий Михаил Давыдович Заслуженный деятель науки России, доктор технических наук, профессор Лисиенко Владимир Георгиевич Заслуженный деятель науки России, доктор технических наук, профессор Раннев Георгий Георгиевич
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (ИПУ РАН), г. Москва
Защита состоится л15 декабря 2010 г. В 14-00 на заседании Диссертационного совета Д 212.132.07 при Национальном исследовательском технологическом университете Московский институт стали и сплавов по адресу: 119049, г.Москва, Крымский вал, д. 3, аудитория К-3
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского технологического университета Московский институт стали и сплавов.
Автореферат разослан л 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор Е.А.Калашников
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В технологической схеме шихтоподготовка - электросталеплавильные переделы - внепечная доводка стали не решены задачи автоматической оптимизации управления процессами вакуумирования стали циркуляционным способом, шихтоподготовки заданного состава и управления энергетическими и температурными режимами процессов в электрометаллургических печах переменного тока (ДСП), которые в условиях роста цен и дефицита энергоносителей остаются важными и актуальными до настоящего времени.
Сложность их решения и практической реализации состоит в том, что с одной стороны отсутствуют надежно функционирующие и безопасные в эксплуатации датчики непрерывного контроля температуры жидкой стали, футеровок и состава исходного сырья, с другой - отсутствие исследований по созданию САУ обеспечивающих высокую эффективность управления и оптимизации процессов внепечной доводки и циркуляционного вакуумирования стали при существенной нестационарности рабочих характеристик и их дрейфа под воздействием неконтролируемых возмущений.
Нерешенность перечисленных актуальных задач по автоматизации и оптимизации управления процессами переработки стали в ДСП и печь-ковше в совокупности с актуальными научно-техническими задачами шихтоподготовки для производства агломерата, чугуна и/или окатышей с минимизацией их себестоимости за счет сокращения расхода кокса и других теплоносителей, а также за счет создания прогрессивных датчиков технологических параметров, САУ и оптимизации рассматриваемых технологических переделов внепечной доводки стали - представляют при автоматизации современного производства стали внутренне связанную, единую актуальную научно-техническую проблему.
Данная диссертация посвящена решению этой важной и актуальной научнотехнической проблемы - энергосбережения, повышения производительности и безопасности обслуживания агрегатов при производстве стали за счет создания прогрессивных корпоративных систем автоматического управления и оптимизации технологических процессов в мощных агрегатах в сквозной технологической схеме шихтоподготовка - электросталеплавильные переделы - внепечная доводка стали. Исследования и решения приведены к объектно ориентированным условиям ОАО ММК - одного из флагманов металлургии России.
Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является обобщение практики оптимизации и автоматизации, разработка новых методов и средств получения достоверной информации технологических параметров и на их основе, разработка, испытание и внедрение новых моделей, алгоритмов, принципов построения и оптимизации САУ, - 2 - обеспечивающие энергосбережение, повышение производительности и безопасности обслуживания мощных агрегатов в сквозной технологической схеме шихтоподготовка - электросталеплавильные переделы - внепечная доводка стали.
Для достижения цели диссертационной работы авторам сформулированы следующие основные задачи исследования и решения:
Ц обобщить результаты анализа методов синтеза автоматических систем управления (САУ) технологическими процессами в сквозной схеме шихтоподготовка - электросталеплавильные переделы - внепечная доводка стали, обеспечивающие разработку прогрессивных научно обоснованных методов, принципов и технических решений по автоматизации, внедрение которых может внести значительный научный вклад в решение сформулированной актуальной проблемы;
Ц научно обосновать несовершенство существующих ГОСТов и технологических инструкций по отбору проб и расчету химического состава шихтовых материалов и прогрессивность создания промышленного автоматического комплекса (ПАК) для непрерывного и достоверного контроля химического и количественного состава каждого вида железорудного сырья (ЖРС) в мощном движущемся его потоке, а также дать оценку эффективности использования ПАК в составе разрабатываемой корпоративной АСУ-ТП мощной агломашины ОАО ММК;
Ц исследованиями подтвердить перспективность использования методов синтеза поисковых экстремальных САУ и оптимизации металлургических процессов в мощной электродуговой печи переменного тока (ДСП) без нулевого провода и создать инженерные основы для их реализации: разработать математические модели, алгоритмы, выбрать научнообоснованные технологические параметры и критерии для оптимизации энергетических и тепловых режимов переработки исходного сырья в ДСП и оптимизации процессов внепечной доводки стали в агрегате печь-ковш (АПК) и циркуляционного рафинирования;
Ц создать базовые принципы синтеза корпоративных автоматических систем оптимального управления технологическими процессами в мощных ДСП переменного тока и циркуляционного вакуумирования стали;
Ц доказать работоспособность, эффективность разработанных автоматических средств непрерывного измерения технологических параметров и перспективность различных принципов построения корпоративных САУ и оптимизации, созданных с использованием новых средств автоматического контроля, математических моделей и алгоритмов с учетом дрейфа статических характеристик управляемых объектов под воздействием неконтролируемых возмущений.
- 3 - Методы исследования. При выполнении исследований использованы: методы теории информационных средств; автоматического управления; оптимизации и моделирования сложных систем; теории подобия размерностей; теории и практики тепловизионного контроля технологических параметров в металлургии; принципы пассивных и активных экспериментов; методы исследования на математических и физических моделях.
Достоверность, эффективность и работоспособность разработанных математических моделей, алгоритмов, методов и средств автоматического контроля технологических параметров, корпоративных САУ и оптимизации режимами электродуговых сталеплавильных агрегатов и циркуляционного вакуумирования - оценивались исследованиями на разработанных математических и физических моделях, длительными испытаниями и внедрением на ОАО ММК, ОАО ЗМЗ и ряда других предприятий Достоверность и прогрессивность новизны технических решений подтверждены 5-ью патентами на изобретения РФ, созданные с участием автора.
Научную новизну работы составляют:
Ц результаты обобщения анализа теоретических и практических принципов построения САУ и оптимизации технологическими процессами в сквозной схеме шихтоподготовка - электросталеплавильные переделы - внепечная доводка стали, которое заключается в выявлении наличия общих для всех процессов автоматизации свойств, а именно статические характеристики всех технологических процессов рассматриваемой в работе схемы производства стали имеют унимодальную экстремальную зависимость между управляющими и управляемыми параметрами, экстремум которых непрерывно дрейфует под воздействием неконтролируемых возмущений, что является основанием для признания перспективности создания корпоративных адаптивных САУ, обладающих свойствами динамического поиска и поддержания экстремальных и оптимальных режимов функционирования процессов в сквозной технологической схеме производства стали;
Ц методология научного обоснования и доказательств несовершенства применяемых ГОСТов и инструкций по отбору проб и контролю химического состава и количества каждого вида ЖРС с усреднением в мощном его потоке (до 500 тонн/час), заключающаяся в определении частоты отбора, суммарной массы отобранных проб из условия удовлетворения критериям достоверности результатов контроля с учетом инерционности процесса металлургической переработки мощного потока шихты;
Ц на уровне изобретения России (патент № 2373527 Бюлл. изобретений № 32 от 20.11.2009 г.), разработан новый промышленный автоматический комплекс (ПАК) для непрерывного контроля химического состава и количества каждого вида ЖРС в мощном потоке на движущейся транспортерной ленте, обеспечивающий повышение точности контроля - 4 - не менее чем в 2,5 раза, быстродействия в 5 раз и достоверности 98 % (установлено, что действующие аналоги имеют достоверность до 70 - 80 %);
Ц алгоритмы функционирования созданных ПАК, корпоративных САУ энергетическими и температурными режимами, САОУ и алгоритм подпрограммы формирования сигналов информации о химическом и количественном составе каждого вида сырья ЖРС в бункере, а также алгоритм формирования аварийных сигналов, автоматически вынуждающих разгрузку расходного бункера;
Ц результаты разработки и проведения промышленных испытаний предложенной автором корпоративной АСУТП-АФ4, главную обратную отрицательную связь, включающую созданный ПАК с алгоритмами его функционирования и с подтверждением высокой точности (2 %) автоматического поддержания основности готовой шихты, что обеспечивает снижение расхода кокса на 1,0 %;
Ц результаты теоретических исследований, доказывающие, что для автоматической оптимизации электрического режима АПК с 3-х фазной ДСП переменного тока, целесообразно реализовать корпоративную САУ по двухконтурной схеме с использованием стабилизирующего и оптимизирующего контуров САУ, а в качестве целевой функции - максимальную производительность АПК. При этом установлено, что с использованием разработанной комплексной математической модели электрической дуги и исполнительного гидравлического механизма привода электрода ДСП в качестве стабилизируемого электрического параметра предпочтительно использовать напряжение дуги или величину полного сопротивления короткой цепи, т.к. только в этих случаях исключается нежелательное взаимовлияние падений напряжений на дугах фаз;
Ц обоснование перспективности предложенного программно реализованного варианта корпоративной динамической поисковой системы автоматической оптимизации управления (САОУ) шагового типа, обеспечивающего удовлетворительные показатели качества в условиях действия стохастических и трудно прогнозируемых возмущений;
Ц результаты исследования процессов оптимизации управления энергетическим режимом АПК на разработанных математических и физических моделях с подтверждением эффективности работы универсального программно реализованного варианта САОУ, а именно - доказано сокращение времени изучения работоспособности и эффективности САОУ не менее чем в 4 раза по сравнению с испытаниями на реальном объекте и возможность использования его в качестве тренинговой установки для операторов и наладчиков;
Ц результаты научного обоснования выбора эффективных параметров оптимизации циркуляционного рафинирования стали, а именно - в режиме вакуумно-кислородном рафинировании (ВКР) в качестве оптимизируемого параметра эффективно принять величину давления в - 5 - вакуум-камере при постоянной пониженной производительности вакуумных насосов, а в режиме основного вакуумирования ВАК в качестве оптимизируемого параметра целесообразно принять величину расхода отходящих из вакуум-камеры газов, удаляемых из металла при максимальной производительности пароэжекторных насосов;
Ц доказана высокая эффективность использования синтезированной универсальной двухконтурной системы управления процессом циркуляционного вакуумирования, оптимизирующий контур которой функционирует с разработанными поисковыми алгоритмами экстремального регулирования, а при синтезе оптимизирующего алгоритма экстремального регулирования в качестве информационного входного сигнала использована скорость изменения оптимизируемого параметра и предложенный принцип подачи управляющего воздействия на остановку ИМ в момент достижения экстремума изменения скорости оптимизируемого параметра.
Установлено, что такой принцип компенсирует негативные влияние инерционности и запаздывания оптимизируемого процесса на эффективность функционирования и исключает периодический режим работы поисковой динамической САОУ технологическим процессом;
Ц принцип построения корпоративной САУ - ДСП, заключающийся в том, что при синтезе оптимизирующего алгоритма управления перспективно использовать статистической метод экстремального регулирования на основе нечетких функций, обеспечивающий формирование управляющего значения коэффициента корреляции между случайными величинами:
входным поисковым управляющим воздействием и откликом на это воздействие оптимизируемого параметра технологического процесса;
результаты, полученные математическими и физическими исследованиями программной реализуемости и работоспособности корпоративной (универсальной по структуре) САОУ при использовании реальных технических средств компьютерной автоматики, подтвердившие прогрессивность предложенных методов поисковой динамической оптимизации управления инерционным с запаздыванием процессов циркуляционного вакуумирования на различных режимах внепечной доводки стали;
Ц разработанные, теоретически и экспериментально обоснованные два новых метода построения САУ температурным режимом жидкой стали в мощных электродуговых АПК, причем:
Х первый из них адаптирован к условиям доводки стали в мощных АПК, ориентированный на программную реализацию с использованием микропроцессорного управляющего контроллера и расчетный способ контроля текущего температурного состояния жидкой стали с использованием многозонной термопары, установленной внутри футеровки ДСП;
- 6 - Х второй метод основан на самонастройке жестко заданных программных параметров процесса внепечной доводки стали, при одновременной адаптации экстремальных характеристик печного трансформатора по критериям минимизации времени пребывания жидкой стали под током дуги электродов, поиска и поддержания на них максимальной мощности в условиях неконтролируемых возмущений. Предложенный подход реализован на САУ мощной электродуговой АПК, для которой теоретически получены функционалы критериев управления и оценки эффективности, а также функции переключения ступеней печного трансформатора по прямым непрерывным тепловизорным измерениям температуры жидкой стали и остаточной толщины огнеупорной футеровки ДСП в зоне электродуг фаз (патенты России: № 2366936 - опубл. в Бюлл. № 25 от 10.09.2009 г.; № 2368853 - Бюлл. № 27 от 27.09.2009 г., а также патенты по заявкам: №2009125355 от 03.07.2009 г. и №2010112817 от 05.04.2010 г.);
Ц результаты испытаний и реализации обоих методов подтвердившие:
Х первый метод обеспечивает точность измерения и управления температуры жидкой стали 13 С (типовая термопара разового пользования гр. ТПП имеет точность 22,5 С), но имеет достаточно низкое быстродействие;
Х второй метод обеспечивает: безопасность и высокое быстродействие; непрерывное измерение и управление температуры жидкой стали с точностью 8,5 С; снижение тепловых потерь на 5Е8%, удельных затрат электроэнергии на 3Е4%, увеличение производительности АПК на 1,5Е2% за одну загрузку АПК, а также многократно упрощает непрерывный автоматический контроль огнеупорной футеровки АПК одним тепловизором.
В диссертации с единых позиций ТАУ нестационарными процессами одновременно разработаны новые автоматические средства прямого автоматического контроля параметров технологических процессов в схеме шихтоподготовка - электросталеплавильные переделы - внепечная доводка стали, и на их основе созданы научно обоснованные прогрессивные системы автоматической оптимизации и управления с учетом экстремальных и дрейфующих характеристик управляемых процессов, внедрение которых решает важную актуальную научно-техническую проблему обеспечения безопасности обслуживающего персонала, снижения электроэнергии, кокса, повышения производительности агрегатов и оптимизации режимных параметров технологических переделов в сквозной схеме производства стали.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами математического моделирования, длительными испытаниями и внедрением разработанных корпоративных САУ энергетическим, температурным и оптимизационным режимами процессов на от- 7 - дельных (корпоративных) участках схемы производства стали в ряде крупных предприятий.
Достоверность новизны и прогрессивности технических решений подтверждены патентами на изобретения, в том числе - международных.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Реализация результатов исследования обеспечивает снижение: расхода кокса на 1,0 %, расхода электроэнергии на 1,5 % и времени плавки не менее на 2 % за одну плавку; обеспечивает достоверность непрерывного контроля химсостава ЖРС не менее (95-98) %, автоматическое поддержание заданного показателя ровности агломерата по основности 1,0 % абс., исключает опасные для жизни процедуры замера температуры жидкой стали и только за счет исключения использования платинородиевых термопар дает экономический эффект 120 млн. рублей в год (по России).
Результаты диссертации использованы в действующей схеме производства стали шихтоподготовка - электросталеплавильные переделы - внепечная доводка стали, а также в проектно-технической документации при модернизации корпоративных участков схемы на ОАО Магнитогорский металлургический комбинат и в проектах создания автоматизированной технологии производства селикомарганца в ЗАО КонсОМ СКС.
Результаты исследования автора используются в учебном процессе: МГТУ им. Носова Г.И. при чтении курсов Автоматизация технологических процессов и производств и АСУ ТП металлургических процессов; МГОУ при чтении курсов Основы автоматизации и АСУ ТП в металлургии; Национального исследовательского института МИСиС при чтении курсов Информационные технологии и основы автоматики, Диагностика и неразрушающий контроль (тепловизионный) эксплуатационного состояния металлургического оборудования. Акты - в Приложениях.
Апробация работы. Основные положения и выводы обсуждались на:
Х 11Цти международных конференциях и симпозиумах;
Х 6Цти совместных заседаниях кафедр по автоматизации и на НТС промышленных металлургических предприятий.
Связь исследований с научными программами:
Исследования велись по планам НИР и ОКР ОАО Магнитогорский металлургический комбинат (темы № 144300, № 153208, № 161564, № 180795), докторантуры НИТУ МИСиС в рамках научной школы Заслуженного деятеля науки России, д.т.н., профессора Салихова З.Г. - зарегистрированной Минобразованием и науки РФ (№ НШ - 3344.2006.8) с наименованием Теория и методы автоматизированного управления металлургическими процессами и производствами, а также распоряжения Правительства России № 1234-р от августа 2003 г., утвердившим Энергетическую стратегию России на период до 2020 года.
- 8 - Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 печатных работ, в том числе входящих в перечень ВАК: 18 статей в рецензируемых журналах, 2 - монографии и 5 патентов на изобретения России, два из которых - европатенты.
ичный вклад соискателя. Выносимые на защиту научные положения разработаны соискателем лично. В работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве, лично соискателем разработаны: в [1, 2 и 18] - инженерные основы расчета быстродействия обмена информацией в управляющей системе и научно обоснованный выбор параметра для оптимизации электрического режима ДСП переменного тока; в [3, 4, 5, 38, 18] - проведено исследование оптимального управления процессом циркуляционного вакуумирования и обоснование структуры динамической оптимизации на основе обобщения анализа теории и практики автоматизации процессов в рассматриваемой схеме производства стали; в [6, 18, 14, 16] - метод, выбор входных и выходных параметров оптимизации энергетического режима ДСП, а также разработка комплексной модели плавки металлов в 3-х фазной ДСП; в [11, 12, 17, 18] - предложил новый принцип построения САУ - информационные датчики температуры жидкой стали, блок схемы, алгоритмы, ограничения управляющих координат состояния ДСП; в [20 и 19] - 70 % в первой и соответственно 25 % во второй монографии результаты исследований соискателя; в [20, 21, 22-25 и 37] - разработал принципы формирования информационных сигналов и дал научное обоснование прогрессивности построения на их основе корпоративных САУ тепловыми и энергетическими режимами АПК (ДСП + ПК); в [8, 13, 15, 37] - научное обоснование необходимости создания ПАК, разработка алгоритмов и блок схем модулей функционирования ПАК, включая методики тарировки испытания и внедрение с оценкой эффективности САУ на основе ПАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 176 наименований и приложения, изложенных на 417 страницах (без приложений на 70 страницах), содержит 114 рисунков и 19 таблиц.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сделан обобщающий вывод по анализу состояния техники, сформулированы актуальная научно-техническая проблема по объекту, цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, представлены основные положения и научно значимые выводы, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ методов и принципов разработки информационных средств контроля, моделей и САУ процессами в схеме шихтоподготовка - электродуговые переделы - внепечная доводка стали, а также методов снижения интегральной себестоимости стали в этой сквозной схеме производства стали, характеризующаяся корпоративно - 9 - функционирующими агрегатами с многоцелевыми функциями и дрейфующими координатами состояния при неконтролируемых возмущениях.
Эффективная автоматизация шихтоподготовки и оптимизация последующих переделов в рассматриваемой схеме производства стали очевидно не могут быть решены без применения промышленных автоматических комплексов достоверного непрерывного контроля технологических параметров на мощной линии производства стали.
Стандартные лабораторные методы определения состава железосодержащего сырья (ЖРС) трудоемки и длительны. К тому же имеются проблемы обеспечения безопасности при ручном отборе и подготовке проб ЖРС для анализа. При существующих способах массовой выплавки стали традиционными методами невозможно получить сталь без содержания в металле О2, Н2, N2. Наличие этих газов в стали в большинстве случаев приводит к снижению ее качества. Поэтому снижение растворенных в металле газов обеспечивается вакуумной обработкой стали. Для уменьшения количества электрической энергии потребляемой АПК рекомендуется использовать пенистые шлаки, решение вопроса контроля высоты которых до настоящего времени не решены.
В отечественной металлургии, благодаря простоте технической реализации, в основном используются для питания АПК трехфазные цепи без нулевого провода. Это требует убедительного обоснования при выборе стабилизируемого параметра, критериев и параметров оптимизации управления энергетическим режимом АПК.
Анализируя графики на рис. 1.7 * отмечаем, что 1 - график изменения максимальных значений PД[IД()]max лежит выше 2-ой траектории PД[IД()] - рекомендуемой традиционно директивными технологическими инструкциями, причем, обе траектории дрейфуют под влиянием изменения напряжения ПТ. Явления дрейфа характеристик и параметров присущи также агрегатам циркуляционного вакуумирования.
В таких условиях наиболее прогрессивными методами оптимизации управления технологическими процессами следует считать поисковые методы.
Анализ взаимосвязей контролируемых параметров электрического режима АПК показывает, что зависимость активной мощности дуги от тока или импеданса - нелинейна и имеет явный унимодальный вид и доступна для непрерывного контроля, а следовательно, ее можно принять в качестве оптимизируемого параметра при синтезе САУ энергетическим режимом АПК переменного тока.
Построение и функционирование современных систем управления основными технологическими процессами в схеме шихтоподготовка - электросталеплавильные переделы - внепечная доводка стали основано на прогнозировании и оценке величины отклонения па* номера рисунков, формул и таблиц соответствуют обозначениям в самой диссертации - 10 - раметров технологического процесса. Из анализа состояния техники следует, что в рассматриваемой технологической линии действуют существенные неконтролируемые возмущения, обуславливающие дрейф статических и динамических характеристик всех процессов с унимодальным экстремумом. Поэтому, на первом этапе автоматизации рассматриваемой линии производства стали целесообразно строить корпоративные - универсальные по структуре САУ для каждого участка линии, что обеспечит накопление статистических данных для установления закономерностей связей между ними и в перспективе создать системы управления со структурами, отвечающими требованиям максимальной эффективности функционирования АСУ производством стали. Этот метод можно рассматривать как новое перспективное направление науки в области развития подходов автоматизации электродуговых процессов.
Рис. 1.7. Зависимости величины мощности выделенной в электрических дугах PД[IД()] от тока дуги IД() для АПК-375 ККЦ ОАО ММК для различных величин (ступеней) напряжения ПТ.
Во второй главе диссертации на основе анализа большого объема результатов экспериментальных исследований, проведенных соискателем на АФ4 ОАО ММК, доказано, что ГОСТ № 15054-80 и технологическая инструкция ТН101-ГОП-8-2003 при современных мощных и интенсивных потоках сырья для производства чугуна и стали с использованием ЖРС не позволяют получить достоверные и быстродействующие информационные потоки для стабилизации желаемого состава шихты. Показано также, что эту задачу физически и экономически нецелесообразно решать только за счет расширения количественного состава заводской лаборатории химического анализа, т.к. будут сглажены высокочастотные колебания состава исходной шихты и САУ не сможет обеспечить необходимую точность управле- 11 - ния процессом подготовки шихты. Автором выдвинута идея создания прогрессивного технического решения этой задачи на основе рентгено-флуоресцентного метода (РФА) измерения состава ЖРС на движущемся мощном потоке. Реализующий этот метод - производственный автоматический комплекс (ПАК) предусматривает определение неразрушающим способом среднего химического состава и количества сыпучих материалов, движущихся на ленте конвейера, и автоматическое управление дозирующими устройствами, как составной частью АСУ ТП отделения шихтоподготовки. Только ПАК позволяет непрерывно определить химический состав ЖРС с погрешностью (0,3 0,8) %.
Описание состава и принципа работы ПАК приведены в патенте автора на изобретение РФ №2373527 [21].
Разработаны для ПАК: методика градуировки; специальные алгоритмы и программное обеспечение (ПО), внедренные на ОАО ММК.
На основании положительных испытаний и внедрения ПАК, создана корпоративная АСУТП - АФ4 (рис. 2.5.1) с использованием ПАК в ее составе, алгоритмов, математических зависимостей и моделей; программ и инструкций автоматизированной тарировке ПАК и автоматической корректировке основности агломерата и окатышей.
На вход АСУТП-ШО подаются заданные или регламентные значения расхода шихты ш зад X с расчетными значениями ее компонентов и из условия обеспечения регламентных н зад зад значений основности готовой шихты ЖРС B и агломерата Bаг, а также основности шлака ш доменной печи Bзад. Сигналы РФА - рентгенофлуаресентного анализа проб ЖРС на движудом щемся конвейере, непрерывно в блоке МОХА преобразуются в %-ое содержание текущих компонентов шихты от X1i до Xni и через 1-ый контроллер обработки сигналов ПАК передаются на соответствующие входы основного сервера АСУТП-АФ4. Усредненные значения количества этих же компонентов Xшi поступают в базу данных УСД-АФ4. На другие входы н основного сервера АСУТП-АФ4 поступают информационные сигналы химического анализа основности i-го номера пробы агломерата Bфакт и шихты в j-й момент времени Bфакт.
i a j iшj Основной сервер АСУТП-АФ4 и УСД-АФ4 вырабатывают управляющие задания для АСУТП-ШО, которая в свою очередь преобразует их в управляющие воздействия U1, U2, U3, Е, Un-1, Un для исполнительных механизмов дозаторов. Локальные регуляторы расхода комзад Bаг = Bаг - Вфакт (i) min ia понентов ЖРС стабилизируют их расход из условия, при зад Bш = Bш - Вфакт (i) min i ш j шзад ш X X (i).
н нi - 12 - - 13 - В данном случае Вфакт (i) и Вфакт(i) - определяют химическим анализом в ЦХД, а знаia iш j чения Bш и Bаг - расчетами с использованием математических моделей и программ, заложенных в составе сервера АСУТП-АФ4.
В качестве априорных информаций вводятся в УСД-АФ4 также заданные и текущие ш зад ш зад зад значения X, Bаг, Bзад, Bш и непрерывно туда же вводятся X (i), Biш(i), X1-n (i), н нi дом Bдом (i) и U1-n.
Сигналы ПАК о компонентах ЖРС на конвейере, выраженные через X1i, X2i, Е, X(n-1)i, ш Xni и их количестве X (i), через 1-ый контроллер поступают в сервер АСУТП-АФ4 и в сон ответствии с систематизированными автором математическими зависимостями между основностью готовой шихты B1ш(i) и количества компонентов ЖРС (приведенных в п.2.2.диссертации) вычисляются значения управляющих воздействий U1, U2, U3, Е, Un-1, Un на исполнительные механизмы дозаторов. В АСУТП-ШО заложены также регулирующие локальные системы, вырабатывающие U1-n изменяющиеся по ПИ и ПИД законам по величине отзад клонения Biш(i) от заданной основности шихты Biш (i), в реальной САУ - от Bфакт (i). Если iш за заданное время (не более 1/3 времени обжига ЖРС на агломашине) не наступает равенство зад Bфакт (i) = Biш (i), то включается контрольная автоматическая тарировка ПАК путем подачи iш ш зад Э эталонных эквивалентов компонентов ЖРС на конвейере в i-ое время X1 - n при X, сравн нения их с аналогами X(1-n)i Цсигналами ПАК за то же i-ое значение времени. Результаты сравнения этих параметров X(1-n)i и по их величине и полярности, через контроллер корректировки показаний ПАК, изменяют настройку параметров 1-го контроллера до заданной трубки ошибок показаний ПАК.
Промышленные испытания корпоративной АСУТП - АФ4 с использованием в ее составе ПАК и алгоритмов подтвердили высокую точность (2%) автоматического поддержания заданной основности агломерата и окатышей и обеспечивает снижение расхода кокса на 1,0 % в доменном производстве чугуна.
Третья глава диссертации посвящена синтезу автоматической системы оптимизации управления (САОУ) энергетическим режимом электродугового агрегата печь-ковш (АПК).
В качестве оптимизирующего параметра в САОУ энергетическим режимом использовано текущее значение электрической мощности, выделяемой в дуге PД(), а в качестве управляющего воздействия использовано перемещение электрода. Конкретная реализация предлагаемой САОУ энергетическим режимом исследована на примерах АПК-385 ККЦ ОАО ММК. Задача оптимизации управления режимом энергопотребления предложено решать с - 14 - Рис. 3.2. Функциональная схема взаимодействия подсистем блока Регулятор использованием совместной работы 2-х подсистем блока Регулятор (рис. 3.2):
Ц подчиненной системы стабилизирующего управления положением электрода каждой фазы (СР);
Ц командной поисковой системы оптимизации (ОР), осуществляющей коррекцию задания СР.
Взаимодействие подсистем СР и ОР представлена на рис. 3.2.
Основной задачей СР является минимизация отклонения между заданными Z и текущими параметрами электрического режима.
Входными параметрами СР являются текущие значения токов IА,В,С, напряжений UА,В,С и активной мощности PА,В,С по фазам ПТ.
При разработке комплексной математической модели использована схема замещения трехфазной цепи переменного тока (рис. 1.3) и принцип Касли.
Неконтролируемые переменные параметры r, Lтр, Lc, , , в процессе внепечной доводки стали в АПК могут непредсказуемо изменяться, т.е. оказывать параметрические возмущения на энергетический режим.
Выходными величинами модели являются эффективные значения фазных токов, напряжений и значений активных мощностей, потребляемых в каждой фазе электродугового технологического агрегата.
- 15 - uА В 2Л uА С 2Л uВ С 2Л Рис. 1.3. Схема замещения трехфазной вторичной цепи ПТ АПК:
Lтр - индуктивность вторичной обмотки ПТ трансформатора; Lр - индуктивность реактора А В (если он используется в схеме); Lc - индуктивность короткой цепи; rд, rд, rдС - соответственно активные сопротивления дуг каждой фазы; UА, UВ, UС - падения напряжения на д д д дугах фаз; iA, iB, iC - мгновенные текущие значения величины токов в фазах; uА, uВ, uС - 2л 2л 2л мгновенные линейные напряжения фаз.
Получена математическая модель 3-х фазного ПТ для питания ДСП переменного тока без нулевого провода:
2iA iB iA + iB diA = 2uAB + 2uAB - 3r iA - + - ;
2 2 d 3L gA gB gC 2iB iA iA + iB diB = uBC - uAB - 3r iB - + - ;
2 2 d 3L gB gA gC iC = -iA - iB ; (3.17) dgA = 1 (iA) ;
- gA d gA( + IA) Д dgB = 1 (iB) ;
- gB d gB( +IB) Д dgC = 1 (iC) , - gC d gC( + IC ) Д - 16 - здесь gA, gB, gC соответственно проводимости дуг фаз А, В, С трехфазной цепи переменного тока при соединении нагрузок (дуг) по схеме звезда, а тр, р - ступени ПТ и длины дуг в каждой фазе lА, lВ, lС, длина дугового промежутка lд, равна д д д lд = hп + Smax - lэл - hм - S, (3.30) где hп - расстояние от крайнего нижнего положения электродержателя относительно днища сталеразливочного ковша; Smax - максимальный ход электродержателя; lэл - длина электрода фазы; hм - уровень жидкого металла в сталеразливочном ковше; S - текущее положение электродержателя.
Рис. 3.4. Структурная схема модели гидравлического привода электрода фазы Блок В1 - модель сервоклапана, аппроксимированная пропорциональным звеном с насыщением. Блок В2 - модель гидроцилиндра, в виде интегрирующего звена, где КИМ выражает общий коэффициент передачи блоков В1 и В2 реализованных программно в линейной области блока В1. Физически коэффициент передачи КИМ равен величине скорости ИМ (dx/d), приходящейся на единицу управляющего напряжения U.
Блок В3 - система лэлектрододержательЦэлектрод как колебательное звено с параметрами Т и , где Т - постоянная времени, характеризующая инерционные свойства механической системы; а - степень затухания колебаний в системе.
Сумматоры S1 и S2 для расчета дугового промежутка lд (3.30), а , - флуктуация длины дугового промежутка.
Достоинством и отличительной чертой предложенной в данной работе математической модели является ее программная реализация в едином блоке с моделью исполнительного устройства перемещения электрода с учетом динамических свойств массивной конструкции электродержателя и электрода в каждой фазе [6, 7, 8, 11, 19].
При синтезе стабилизирующего регулятора в САОУ энергетическим режимом (см. рис.
3.2) передаточную матрицу объекта управления Wоб(S) можно выразить соотношением (3.31) Wоб(S) = Wк(S) WИМ(S), (3.31) где WИМ(S) - диагональная передаточная матрица исполнительных устройств;
- 17 - Wк(S) - передаточная матрица электрического контура, определяемая выражением (3.32), (3.32) Wк S = Wiкj S ( ) ( ) Wiк(S) где - передаточная функция i-го входа (длина дуги i-ой фазы) j-ому выходу (контроj лируемому параметру j-ой фазы); i = 1, 2, 3; j = 1, 2, 3.
Синтез программной реализации автономного регулятора многосвязного объекта управления, несмотря на использование типового ПИ-закона, представляет сложную задачу, в определении передаточной матрицы регулятора в виде Wр(S) = Wоб(S) Wз(S) [E - Wз(S)], (3.33) где Wр(S) - передаточная матрица регулятора; Wз(S) - диагональная передаточная матрица замкнутого контура (необходимое условие автономности управления); Е - единичная матрица.
Программная реализация цифрового контура стабилизации электрического параметра на базе микропроцессорного контроллера (применительно к SIMATIC S7-300(400)) подробно рассмотрена в [19].
В процессе моделирования электрического режима АПК было доказано, что коэффициенты передаточных функций матрицы (3.32) при i j также не равны нулю и меняются в зависимости от параметров электрического режима.
Это означает, что по каналу тока дуги электрический контур АПК является многосвязным нелинейным и нестационарным объектом управления.
В результате проведенного исследования можно сделать вывод, что использование тока дуги в контуре управления энергетическим режимом АПК, несмотря на информационную доступность этого параметра является возможным вариантом, но одновременно представляет сложную проблему с точки зрения снижения взаимовлияния трех автономных контуров управления друг на друга.
Вторым по доступности информационным параметром для стабилизации электрического режима технологических агрегатов является полное сопротивление короткой цепи каждой фазы, недостаток управления по этому каналу - его значительная нелинейность.
Система стабилизации электрического режима по информационному каналу напряжения дуги обладает основным преимуществом, заключающемся в следующем:
Ц при больших токах дуги напряжение дуги Uд = + lд зависит только от длины дуги и градиента напряжения в столбе дуги, причем эта зависимость практически линейная, что позволяет осуществить автономное управление электрическим режимом каждой фазы в более благоприятных условиях.
- 18 - По результатам исследования можно сделать следующие выводы:
Ц очевидным недостатком этого способа управления является зависимость коэффициента передачи объекта управления от неконтролируемого в ходе технологического процесса доводки стали постоянно изменяющегося градиента напряжения в столбе дуги - ;
Ц для стабилизации параметров электрического режима целесообразно в качестве информационного канала использовать величину падения напряжения на дуге или импеданса в каждой фазе, поскольку этот параметр можно определять с более высокой достоверностью, чем UД.
Ц разработанная математическая модель трехфазной цепи без нулевого провода позволяет подтвердить основные взаимозависимости параметров электрического режима электродуговых металлургических установок.
Это дает научно обоснованное подтверждение о возможности использования программного обеспечения модели при исследовании и математическом моделировании поисковых САОУ энергетическим режимом.
Далее даны результаты синтеза поисковой САОУ энергетическим режимом АПК на основе принципа нечеткого экстремального регулирования.
Вследствие невозможности идентификации существенно нелинейного стохастического процесса горения дуги переменного тока в условиях действия различных возмущающих факторов детерминированные методы поисковой оптимизации оказались мало эффективными [19].
В основе разработанной и программно реализованной системы автоматической оптимизации управления энергетическим режимом АПК использован программный модуль ОР структурная схема которого представлена на рис. 3.13:
Программный модуль БПР обеспечивает быстрый вывод энергетического режима агрегата в рабочую зону - локрестность максимальной мощности, выделяемой дугой. Этот блок осуществляет грубое или приближенное решение задачи оптимизации управления.
Алгоритм работы БПР реализует формирование управляющего воздействия на последующий шаг итерации Z1(+1) в соответствии с выражением:
() = Pд() - - I2() xтр , Q() (3.39) Z1( +1) = Z1() + Kz(), где () = Pд() - Q() - разность между активной мощностью, выделяемой в дуге и реактивной мощностью фазы; Z1(+1) - задание, формируемое БПР на последующий интервал времени (итерации управления); Z1() - текущее заданное значение стабилизируемого парамет- 19 - ра; Кz - коэффициент пропорциональности по каналу стабилизируемого параметра (например, импеданса).
Рис. 3.13. Структурная схема блока ОР программно реализованной системы автоматической оптимизации энергетического режима АПК, где БПР - быстрая поисковая подсистема в виде быстрого поискового регулятора; ЭР - оптимизирующая поисковая подсистема, реализованная на принципе нечеткого экстремального регулирования; УП - устройство переключения ключа К, путем формирования дискретного сигнала - (), причем, фазный ток I() в однофазном или средний по фазам ток в трехфазном варианте; заданное значение стабилизируемого параметра Xc(); средние суммарные значения мощности выделяемые в дугах Рд() и реактивные мощности по трем фазам Q().
Согласно разработанному алгоритму работы модуля, БПР на каждой итерации управления БПР минимизирует значение () путем целенаправленного изменения задания Z1(+1) стабилизирующему регулятору СР с учетом ограничений на минимальное - Zmin и максимальное Zmax заданные значения в единицах стабилизируемого параметра, например величины импеданса.
Для точного определения экстремума выходного оптимизируемого параметра Рд()max процесса предназначен модуль экстремального регулирования (ЭР). В модуле ЭР реализуется динамический поисковый режим оптимизации, эффективность которого не зависит от изменения рабочих характеристик оптимизируемого процесса.
Суть поискового режима заключается в формировании управляющего воздействия на последующий интервал времени по результату анализа реакции (отклика) оптимизируемого параметра на результат предыдущего управляющего воздействия на процесс.
- 20 - Таким образом при функционировании САОУ решаются две задачи:
Ц определение знака и величины градиента нулевой функции, определяющих необходимое последующее направление движения к экстремуму при наличии помех, инерционности и технологических возмущений;
Ц организация устойчивого целенаправленного изменения оптимизируемого параметра в направлении экстремума (достижения поставленной цели управления).
Возможность получения приемлемого по качеству управления, в условиях невозможности получения адекватной модели управляемого технологического процесса в предлагаемой САОУ реализована путем замены детерминированной математической количественной модели процесса ее качественной лингвистической моделью.
В схеме предусмотрены блоки единичной z-1 задержки и сумматоры для запоминания значений входных сигналов на предыдущей итерации и вычисления приращений входных сигналов на каждой итерации РД и I.
Вычисление задания z2(+1) производится с учетом его текущего значения z() и текущей коррекции zс(), т.е. z2(+1) = z() + zс().
Предусматривается вычисление сигнала рассогласования () как разности между z() и текущим значением стабилизируемого параметра хс(). С помощью масштабных коэффициентов К1, К2, К3 и К4 осуществляется масштабирование на предметной области нечетких множеств входных и выходных информационных сигналов. Входные сигналы модуля нечеткого контроллера обозначены как x1, x2 и x3, а выходной сигнал как y.
В отличие от традиционных экстремальных систем в предлагаемом методе используются дополнительно еще два параметра: текущее приращение тока и рассогласование между текущими заданными и действительными значениями стабилизируемого параметра. Для САОУ составлена база правил представляющая собой модель процесса нечеткого управления, т.е. представляет качественную модель управления, отражающую логику работы высококвалифицированного технолога-оператора.
Устройство переключения (УП) функционирует в соответствии с условием (3.52) = Рд - Q - I2 xтр ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1, если > H = (3.52) ( ) 0, если < H2, где Н1 - граница функционирования подсистемы ЭР, выход за которую сопровождается переключением ключа К в состояние л1, включая в работу блок БПР; Н2 - зона, при попадании в которую ключ К переводится в состояние л0, обеспечивая отключение модуля БПР и включая в работу модуль ЭР. Целесообразно принять Н1>H2.
- 21 - В этой же главе приводятся разработанные автором алгоритмы и структурнофункциональная схема программно реализованного варианта адаптивной динамической поисковой системы автоматической оптимизации управления (САОУ) шагового типа.
В составе САОУ использованы также дополнительно разработанные алгоритмы (функционирования экстремального регулятора - ЭР, устройства переключения - УП, алгоритм блока быстрого поискового регулятора - БПР) и функционально-структурные схемы реализации ЭР и регулятора БПР.
В четвертой главе диссертации приведены результаты экспериментальной проверки работоспособности корпоративной системы автоматической оптимизации управления энергетическим режимом электродуговых переделов производства стали Было проведено математическое и физическое моделирование различных режимов работы предлагаемой САОУ на однофазной опытной электродуговой установке.
Программная модель дает возможность оценить работу САОУ при управлении многосвязным объектом, в то время как одновременно созданная физическая модель представляет хотя и автономную, но однофазную систему (имеются видеофильм работы физической модели, а схема ее приведена в Приложении № 16).
При моделировании и исследовании работы САОУ определяли величину текущего отклонения оптимизируемого параметра от его оптимального значения в установившемся режиме, а также была произведена оценка рысканья, т.е. амплитуд автоколебаний оптимизируемого выходного и (входного) управляющего параметров.
В процессе доводки стали на АПК изменяются температурные и технологические условия горения дуг, что сопровождается заметным (от 1000 до 4000 мкс) изменением постоянной времени дуги .
Анализ полученных результатов убедительно доказывают устойчивую поисковую работу САОУ в условиях действия высокочастотных помех и низкочастотных технологических возмущений, приводящих к неконтролируемому дрейфу рабочей характеристики энергетического режима АПК.
Подтверждение эффективности использования принципа нечеткого экстремального регулирования при синтезе САОУ было проведено ее исследованиями на компьютеризированном опытном стенде, который представляет собой реальную однофазную электродуговую печь переменного тока.
Характерная особенность исследования работы предлагаемой САОУ на опытном стенде, заключается в достижении высокой точности управления положением электрода, когда длина дуги не превышает нескольких миллиметров, особенно в начальный период расплавления холодной шихты - окатышей.
- 22 - Исследование работы синтезированной САОУ энергетическим режимом ДСП-25 переменного тока в литейном цехе ОАО МРК (механо-ремонтный комплекс ОАО ММК) подтвердили, что применение предлагаемой поисковой динамической САОУ энергетическим режимом только в период расплавления металлошихты позволяет сократить количество электрической энергии на 1%; продолжительность технологического процесса на 5 %, и снизить расход электроэнергии на 1,5% на каждой плавке.
В 5 главе сформулирована задача оптимального управления процессом циркуляционного вакуумирования стали, разработаны алгоритмы и схемы корпоративной САОУ, а также получено подтверждение их эффективности и работоспособности.
Основной целью САОУ технологическим процессом циркуляционного вакуумирования стали является достижение максимально возможной производительности и минимальной энергоемкости комбинированной вакуумной установки (КВУ) с ковшом для внепечной обработки стали путем выполнения информационных, расчетных и управляющих функций в составе АСУ ТП.
Дано обоснование, что в качестве управляющего воздействия рационально принять расход транспортирующего газа, подаваемого во всасывающий патрубок доступного для реализации управления и его активного и оперативного воздействия на интенсивность процесса дегазации стали (см. рис. 5.2), а в качестве выходного оптимизируемого параметра, объективно характеризующего эффективность режима ВКР, необходимо использовать величину остаточного давления в вакуум-камере.
0 2 4 6 8 Расход аргона, QАГ 10-3 м3 /с Рис. 5.2. Изменение расхода массы металла в циркулирующем контуре в зависимости от расхода аргона в процессе вакуумирования По мере дегазации стали давление в вакуум-камере уменьшается, несмотря на увеличение расхода транспортирующего газа до оптимальных значений и массы металла в циркулирующем контуре, что обуславливает появление в системе автоколебания. Для исключения таких автоколебаний автором предложено использовать модернизированный - 23 - М Расход массы металла, Q т / мин метод поиска по запоминанию экстремума скорости изменения оптимизируемого параметра и остановкой ИМ в момент достижения экстремума первой производной оптимизируемого параметра [5, 7, 19].
Структурно-функциональная схема разработанной САОУ процессом циркуляционного вакуумирования в режиме ВКР с реализацией предложенного метода представлена на рис.
5.7 с расшифровкой элементов схемы.
Рис. 5.7. Структурно-функциональная схема САОУ процессом циркуляционного вакуумирования в режиме ВКР [5, 7], где ООУ - объект оптимизации управления; ДУ - дифференциатор; ЗУ - запоминающее устройство; СР - сигнум-реле; РО - реле остановки; ИКУ - импульсный коммутатор; РК - регулирующий клапан аргона; СУ - стабилизирующее устройство; ТР - триггер реверса.
ООУ апроксимирован последовательным соединением статического звена экстремальной характеристикой вида У = f(x) и двух инерционных звеньев с постоянными времени: Т0 - характеризующий инерционные свойства объекта; з - время запаздывания - 24 - Выходная величина Z(), определяющая текущее значение оптимизируемого параметра - давление в вакуум-камере, подается на вход ДУ, на выходе которого формируется сиг& нал, пропорциональный цифровому аналогу первой производной, где - Z Z/ ( ) принятый цикл работы контроллера; Z - текущее изменение величин Z() за время цикла & . На выходе ЭС формируется информационный сигнал равный Z =& -& -Z Z ( ) ( ) ( ) max & разности между текущим значением скорости изменения оптимизируемого параметра и Z() & максимальным значением скорости запомненным и достигнутым в предыдущие Z -( ) max моменты времени.
& Текущее значение сигнала с выхода ЭС поступает на вход СР, осуществляющеZ() го в соответствии с принятым оптимизирующим алгоритмом управления (ОАУ) формирование управляющего сигнала U() (+1, 0, -1).
Управляющий сигнал U() = -1 перебрасывает - ТР, изменяющий на противоположное значение переключающей функции () (+1, -1) определяющей текущее направление перемещения ИМ и соответственно величину текущего значения Х() (расхода транспортирующего газа аргона).
Управляющий сигнал U() = 0 включает РО, которое своим контактом РО-1 разрывает цепь управления движением ИМ.
Управляющий сигнал U() = +1 свидетельствует о приближении процесса к оптимальному состоянию, поэтому выбранное направление изменения управляющего параметра сохраняется.
ИКУ обеспечивает выбор средней скорости ИМ &, соответствующей инерционноKИМ сти и запаздыванию оптимизируемого процесса в пределах:
КИМ max & > KИМ min, KИМ где КИМмах - максимальная и КИМмin - минимальная скорость ИМ при продолжительности включения ИМ равной 0,15 с.
Расходная характеристика РК расхода аргона нелинейна и может быть задана экспериментальной характеристикой Х() = J[x, ()]. В качестве настраиваемых параметров при математическом моделировании процесса оптимизации в предлагаемой структуре САОУ используются:
Ц постоянная времени Т0, время запаздывания оптимизируемого процесса,З, с; постоянная времени реального дифференцирующего звена - ДУ - Тд, с; зона нечувствительности & САОУ по скорости изменения оптимизируемого параметра ; время выдержки сигнумZн - 25 - реле ср 0,9Ц1,6(Т0 + З), с; время выдержки поверочного принудительного реверса ИМ в САОУ для прерывания монотонного изменения Z(), - в, с; скважность импульсов для задания средней скорости ИМ, - , с.
Принятое значение определяет время перекладки ИМ, - Тн, т.е. время движения ИМ от одного крайнего положения Х1() = 0% хода ИМ до другого крайнего положения Х1() = 100% хода ИМ. Значит K =100%/ Т.
ИМ н СУ формирует сигнал, через заданное время в, для принудительно поверочного ре& в верса САОУ при соблюдении условия Z > 0 при.
( ) Формализованное математическое представление унимодальной характеристики опY[x( )]= f [x( )] тимизируемого процесса в режиме ВКР для получения уравнения использован полином четвертой степени.
У[x ] = 239,5 - 7,1945x + 0,1011x2 ( ) ( ) ( ), (5.1) -6,069 10-4 x3 +1,3202 10-6 x4 ( ) ( ) при х() (80Ц150 м3/ч, для КВУ-385).
Траектория статических характеристик оптимизируемого процесса при математическом моделировании процесса функционирования САОУ учтена путем формирования текущего установившегося значения У x, ( ) в соответствии с (5.2).
, (5.2) У x, =У x ( ) ( ) ( ) где Уx, - текущее положение статической характеристики оптимизируемого процесса;
( ) - величина и направление составляющей скорости вертикального смещения; - величина и направление горизонтальной составляющей скорости дрейфа статической характеристики процесса (при л+ - смещение влево, при л- - смещение вправо). Причем, для установки КВУ-385: = -0,0015 мм рт.ст./с и = 0,01 (м3/ч)/с.
При сложном смещении вправо-вниз статической характеристики процесса циркуляционного вакуумирования в режиме ВКР математическое представление процесса определено выражением (5.3) & У[x ,] = 239,5 - 7,194 x() - 0,01 + 0,101x() - 0,012 ( ) ( ) . (5.3) -6,07 10-4x() - 0,013 +1,32 10-6x() - 0,014 - 0,0015 Изменение х() в процессе оптимизирующего поиска определена X1() = X0 +( ) K им, (5.4) где () (+1, 0, -1) - функция, определяющая текущее направление изменения X().
- 26 - Изменение давления в вакуум-камере в процессе поиска X1() определяется уравнениями (5.5), (5.6):
dZdZ T0 + Z1() = У[X( ), ], (5.5) и з + Z = Z1(). (5.6) ( ) d d з Правомерность замены передаточной функции e- Р функцией объясняется +Т > соблюдением условия более чем в 4 раза, а - запаздывание.
0 3 Формирование управляющей функции U() обеспечивается соблюдением следующих условий (5.7) и (5.8).
& Z Z ( ) ( ) +1, если& -& -1 + ZH > 0. (5.7) dZ max ( ) При, U = 0 ( ) & d Z Z ( ) ( ) 0, если& -& -1 max + ZH dZ ( ) При (5.8) U = -1, если& + Zн < Z < 0, ( ) ( ) d Соотношение между управляющей U() и переключающей () функциями определена условиями: если U() = +1, то (+1) (). (5.9) Соблюдение условия (5.9) означает, что выбранное САОУ в текущий момент времени направление изменения X() сохраняется и на последующий +1 момент времени. Если U() = 0, то (+1) 0, т.е. в последующий +1 момент времени надо остановить ИМ, т.е.
принять значение х(+1) = const X() (включить реле РО). Если U() = -1, то (+1) -(), при этом в последующий +1 момент времени направление изменения х() следует изменить на противоположное, т.е. произвести реверс ИМ.
Запоминающее устройство ЗУ функционирует в соответствии Х Х Х Х еслиZ() Z(-1)max,тоZ(-1)max = Z(), (5.10) Х Х Х еслиZ() < Z(-1)max,тоZ(-1)max = Z(-1)max.
Более удобной формой для анализа эффективности поискового процесса функционирования рассматриваемой САОУ является представление поискового процесса в координатах л (), Z() - Х().
У Правомерность замены аргумента обеспечивается условием:
dX() d= KИМ = const, илиd= dX() KИМ.
(5.11) Траектория поискового режима Z[Х()] при функционировании рассматриваемой САОУ процессом циркуляционного вакуумирования стали приведена на рис. 5.10.
- 27 - Рис. 5.10. Траектория реализации алгоритма поискового процесса в САОУ вакуумирования стали в режиме ВКР в плоскости xЦy,z: 1 - статическая характеристика процесса У[Х()]; - траектория изменения Z[Х()] оптимизируемого параметра Высокая интеллектуальность САОУ и эффективность используемого ОАУ подтверждается выполнением условия Х()ост Х()опт. В окрестности экстремума оптимизируемого параметра Z[Х()]max под действием стабилизирующего устройства СУ, осуществляющего через время в поверочные реверсы ИМ, позволяющие САОУ следить за смещением экстремума, совершаются поисковые движения Х().
Наиболее приемлемым параметром, характеризующим эффективность процесса дегазации метала, а значит и производительность установки, оказалась величина расхода отсасываемых из вакуум-камеры газов.
На рис. 5.14 показана экспериментальная траектория изменения максимального значения расхода отходящих газов - линия 4 в зависимости от расхода аргона - Vгаз()max = = f(Vарг(). С учетом заштрихованной зоны дрейфа характеристик на рис. 5.14, принцип двухконтурной структуры САОУ, рекомендуемой нами как универсальный, должен быть сохранен и в случае оптимизации управления процессом циркуляционного вакуумирования.
Стабилизирующий контур должен обеспечивать быстрое, но грубое в соответствии с директивно заданной приближенной зависимостью Vг()max=f[Vа()] (см. рис. 5.14), определение и поддержание требуемого расхода аргона Vа().
Оптимизирующий контур, используя принцип экстремального управления, осуществляет медленное поисковое, но более точное определение и поддержание такого оп- 28 - тимального значения расхода аргона, при котором количество экстрагируемых из металла газов достигает максимального значения.
Рис. 5.14. Экспериментальные зависимости изменения расхода отходящих газов от расхода аргона: для второй - линия 1; для пятой - линия 2; для восьмой - линия 3 минутах процесса вакуумирования В рассматриваемой корпоративной САОУ предусмотрена:
а) в режиме вакуумно-кислородного рафинирования (ВКР) в качестве оптимизируемого параметра использовать величину давления в вакуум-камере.
б) в режиме глубокого вакуумирования в качестве оптимизируемого параметра использовать величину расхода удаляемых из вакуум-камеры газов.
Функциональная схема двухконтурной универсальной САОУ процессом циркуляционного вакуумирования представлена на рис. 5.15, где PE - датчик давления в вакуумкамере; FE - датчик расхода отходящих газов.
Для каждого режима работы установки существуют зависимости Vа()опт = [Р()] или V*а()опт = f[Vтг()], где (см. линия 4, на рис. 5.14 и 5.16). Vа()опт - оптимальное значение текущего расхода аргона, при котором обеспечивается максимальное текущее значение давления Р()max в вакуум-камере. Программно реализуемые блоки функционального преобразования обеспечивают формирование выходного сигнала Vа3(), соответствующего директивно заданному значению в соответствии с Vа3() [Р()]max или Vа3() f[Vтг()]max - 29 - в зависимости от принятого варианта управления. ЭС сравнивает текущие значения сигналов Vа3() и Vа(), где Vа() - действительное текущее значение расхода аргона. Управляющий сигнал 1() (+1, 0, -1) представляет собой переключающую функцию ИМ регулирующий расход аргона (РКРА).
Переключающая функция 1() (+1, 0, -1) формируется ЛПУ в соответствии с условием (5.12) +1, если P() < P[Va()] - Va3() / (5.12) 1() = 0, если P[Va()] - Va3/2 P() P[Va()] + Va3()/-1, если P() > P[Va()] + Va3() / где Р() - текущее значение давления в вакуум-камере в режиме ВКР;
Выбор текущего управляющего воздействия () на расход аргона, осуществляется ЛПУ в соответствии с условием (5.13):
если () = +1, то () = ();
0 (5.13) если () = 0 и () = 0, то () = ().
0 1 Значение сигнала 2() = (+1, 0, -1) принимается в процессе оптимизирующего поиска экстремального значения оптимизируемого параметра Р()max или Vтг()max. При условии 2() = 0 в САОУ предусмотрена остановка ИМ на время в.
Управляющая команда (), определяет Va() как:
, (5.14) Va() = Vaн + () КИМ где Vaн() Црасход аргона на момент включения САОУ в работу.
Несомненным достоинством нового принципа ОАУ является отсутствие периодического поискового режима, характерного для ранее известных ОАУ с запоминанием максимума производной оптимизируемого параметра. Разработан также оптимизирующий алгоритм управления, использующий статистический вероятностный характер связи между входным управляющим и выходным оптимизируемым параметрами технологического процесса.
Принцип работы статического оптимизирующего алгоритма заключается в определении тесноты статистической связи между сигналом Х на входе объекта управления (технологическим процессом циркуляционного вакуумирования) и скоростью изменения Z оптимизируемого параметра путем расчета величины и знака коэффициента корреляции RXZ за предшествующий период времени. По величине и знаку RXZ осуществляется формирование направления изменения Х на текущий интервал времени. Смена знака величины RXZ свидетельствует о достижении выходным параметром объекта управления своего экстремального значения.
- 30 - Рис. 5.15. Функциональная схема двухконтурной САОУ процессом циркуляционного вакуумирования стали - 31 - 60 80 100 120 140 1Рис. 5.16. Экспериментальные зависимости давления в вакуум-камере от расхода аргона для установки циркуляционного вакуумирования ККЦ ОАО ММК в режиме ВКР: линия 1 - для второй; линия 2 - для четвертой; линия 3 - для шестой минутах процесса; линия 4 - зависимость Vа()опт =[Р()]max Принцип работы статического оптимизирующего алгоритма заключается в определении тесноты статистической связи между сигналом Х на входе объекта управления (технологическим процессом циркуляционного вакуумирования) и скоростью изменения Z оптимизируемого параметра путем расчета величины и знака коэффициента корреляции RXZ за предшествующий период времени. По величине и знаку RXZ осуществляется формирование направления изменения Х на текущий интервал времени. Смена знака величины RXZ свидетельствует о достижении выходным параметром объекта управления своего экстремального значения.
Для моделирования и программной реализации работы САОУ, использующей статистический оптимизирующий алгоритм оптимизации управления процессом циркуляционного вакуумирования был разработан комплекс программ.
Расчетные траектории положения и формы статической характеристики процесса циркуляционного вакуумирования стали расчетная траектория изменения Vог в процессе оптимизирующего изменения расхода аргона в координатах Vарг - Vог представлены на рис.
5.26, где Vог - расход отходящих газов.
Статическая характеристика процесса циркуляционного вакуумирования f(Vарг) определена уравнением с учетом дрейфа в виде:
- 32 - Vог = f(Vарг, ) = а1[Х() + b1]5 + а2[Х() + b2]4 + а3[Х() + b3]3 + + а4[Х() + b4]2 + а5[Х() + b5] + b6 + а6, при:
а1 = 0,0087; а2 = 0,183; а3 = -1,3999 ;
а4 = 4,6294; а5 = -5,932; а6 = 4,9439 ;
b1 = 1,46167564810-3; b2 = 1,02667308510-3;
b3 = 0,58262366410-3; b4 = 0,16878007110-3;
b5 = 0,16984815610-3; b6 = 0,03100959210-3.
Анализ полученных результатов показывает, что корпоративная САОУ с использованием статистического алгоритма экстремального регулирования обеспечивает устойчивый поиск экстремального значения Vог() в условиях его дрейфа.
Рис. 5.26. Расчетная траектория изменения расхода отходящих газов в процессе работы корпоративной САОУ процессом циркуляционного вакуумирования в координатах Vарг - Vог: 1 - начальное положение статической характеристики оптимизируемого процесса; 2 - на 2 минуте процесса; 3 - на 4 минуте процесса; 4 - на 6 минуте процесса Предлагаемый статистический метод экстремального регулирования обеспечивает важное преимущество использования корпоративной САОУ - обеспечивает формировать базу статистических оценок влияния на оптимизируемый процесс различных неконтролируемых технологических возмущений и случайных помех.
В главе 6 приведены материалы (математические модели, алгоритмы и др.) разработки перспективных способов и систем автоматического контроля и управления температурным режимом доводки жидкой стали - 33 - Известные методы не обеспечивают непрерывный текущий контроль температурного состояния жидкой стали и термостойких элементов агрегата. Для оценки текущего температурного состояния стали автором предложен [19] расчетный способ, адаптированный для условий электродуговых технологических агрегатов металлургического и литейного производств с использованием многозонной термопары (ранее предложенного проф. Спириным Н.А. - для контроля температуры футеровки доменной печи).
Расчет текущей температуры жидкой стали на границе раздела футеровкаЦ расплавленный металл осуществляется путем решения обратной задачи теплопроводности: зная текущее распределение температуры в фиксированных точках по толщине огнеупорной футеровки и температуру окружающей среды, прогнозируется температура жидкой стали на границе раздела.
В результате в плоскости параметров (х, ) образуется совокупность узловых точек с координатами (xi, к) в виде прямоугольной сетки. Расчет температурного поля сводится к к определению значений сеточной функции ti, характеризующей температуру огнеупорной футеровки в узловых точках.
Распределение температуры по толщине футеровки представим в виде:
t xi, = , t2 ,..., tm ( ) ( ) ( ) ( ), (6.33) t1 где t1(), t2(),Е, tm(), - текущие значения температур, измеряемых датчиками; xi - фиксированные координаты установки датчиков температуры по толщине огнеупорной футеровки;
m - число точек, в которых производится измерение температуры.
Необходимо в каждый текущий момент времени осуществлять подбор такого значения температуры жидкого металла, чтобы непрерывное распределение температуры по толщине огнеупорной футеровки, полученное при решении прямой задачи теплопроводности, точно совпадало с измеренными значениями температур в дискретных (фиксированных) точках, т.е. требуется минимизировать функционал m t*, (6.34) J1 = xj - t x min ( ) ( ) j j j j=где t* xj tj xj ( ), ( ) - измеренное текущее и расчетное значение температур в точке с коордиj натами xj, а функционал J1 вычисляется компьютером, т.е. по разработанномц алгоритму.
Полученные результаты исследования работоспособности рассматриваемого расчетного метода определения текущей температуры жидкого металла свидетельствуют о достаточно высокой точности оценки температурного состояния и эффективности метода, пригодного для измерения температуры жидкой стали.
- 34 - По заказу разработаны и изготовлены малой серией специальные многозонные термопары на основе кабельных термопар, выпускаемых отечественной производственной компанией ТЕСЕЙ г. Обнинск, обслуживающей атомную энергетику.
Программная реализация расчетного способа непрерывного контроля температурного состояния жидкого металла с участием автора осуществлена на программируемом контроллере Р-131.
Работа данного типа контроллера организована по принципу циклического сканирования и выполнения основной программы с фиксированным временем цикла.
Рассчитанная величина функционала J1 подается на вход автоалгоритма, который реализует ПИ-закон регулирования. Задачей этого автоалгоритма является подбор такого значения температуры жидкой стали tм(), при котором значение функционала J1 становится практически нулевым.
Если J1 > 0, то требуется увеличивать, а при J1 < 0 уменьшать температуру.
Экспериментальная проверка расчетного метода непрерывного контроля температурного состояния жидкой стали проводилась на 3-х тонной дуговой сталеплавильной печи ЗАО Магнитогорского завода металлургического оборудования (МЗМО).
Создание АСУ температурным режимом сталеплавильных агрегатов на базе многозонной термопары является одним из прогрессивных, но при этом одно из основных требований к САУ такого назначения не будет выполнено из-за большой инерционности сигнала о фактической температуре жидкого металла.
В главе 4 приведены также материалы разработки и результаты испытаний более прогрессивной корпоративной АСУ-ТП тепловыми режимами электродугового агрегата с тепловизорными первичными датчиками.
Предложен способ непрерывного контроля температуры жидкой стали основанный на инфракрасном излучении нагретого датчика, реализованного в виде тугоплавкого стержня, пропущенного через теплоизолирующий материал-уплотнитель сквозь футеровку и корпус сталенакопительной емкости агрегата, один конец которого непосредственно соприкасается с расплавом в емкости, а другой конец стержня через инфракрасное излучение сообщен со входом тепловизора, чувствительного к инфракрасному излучению [24, 25].
Кроме того, установка по высоте емкости агрегата с высокотемпературным расплавом более 2-х тугоплавких стержней-датчиков позволяют непрерывно контролировать как изменение температуры жидкой стали по высоте емкости агрегата, так и уровней стали и шлака в нем, а также прогара и температуры футеровки.
В условиях появления композиционных материалов в 21-ом веке, очевидно, что прогрессивным следует считать создание САУ замкнутых отрицательной обратной связью, реа- 35 - лизованных на датчиках инфракрасного излучения, не имеющих недостатки известных аналогов.
Опытные испытания корпоративной САУ, использующей в качестве отрицательной обратной связи датчик инфракрасного излучения с компьютерным блоком обработки сигнала подтвердили, что наличие таких датчиков и фактической толщины футеровки в зоне действия дуги электрода позволяет поддерживать оптимальный электрический режим ДСП, обеспечивающий экономию электроэнергии на 3-5 %, повышение производительности ДСП на 2-4 %, экономию электродов на 1-2 % и повышение срока службы огнеупорной футеровки на 5-8 %. В работе приведен также очевидный размер ожидаемого экономического эффекта от использования предложенных тепловизионных датчиков температуры (120 000 000 руб. в год по России).
На основе результатов проведенных в работе исследований, их испытаний и внедрения предложен принципиально новый принцип построения корпоративной САУ тепловым режимом электродугового агрегата при внепечной доработке стали.
Новый принцип заключается в том, что в ней следящая система программного выполнения технологически заданного изменения траектории температурного режима корпоративно изменяет продолжительность действия максимальной мощности дуги на каждой ступени ПТ при равенстве заданной температуры жидкой стали реально достигнутой, используемой в качестве отрицательной обратной связи САУ, а величина максимальной мощности дуги ограничивается реально допустимой температурой огнеупорной футеровки АПК. При этом подсистемы поиска дрейфующего экстремума и адаптации ограничений активизируются после переключения ступеней ПТ.
До настоящего времени все САУ температурным режимом эксплуатации АПК реализуют только принцип разомкнутого или условно замкнутого по расчетной температуре контура, что всегда приводит к погрешностям в управлении температурой, как например перегрев металла, или недостаточная температура, необходимая для эффективного протекания физико-химических процессов в электродуговом агрегате и МНЛЗ.
На базе предложенного принципа разработана функциональная схема корпоративной системы автоматического управления температурным режимом доводки стали в АПК (рис.
6.18).
Специально разработанный нами автоматическое устройство-датчик контроля температуры жидкого металла (ДТМ) непрерывно и непосредственно измеряет температуру жидкой стали tм( ). Блок формирования уставок (БФУ), в соответствии с программой плавки, З осуществляет формирование заданной температуры tм( ) на текущий период доводки стали.
Далее вычисляет рассогласование ( ), которое затем поступает на интегрирующий элемент - 36 - (И). Текущий интеграл от ошибки поступает на релейный элемент Р1, где формируется сигнал {-1; 0; +1}, который поступает в регулятор мощности (РМ), и определяет направление переключения ступеней напряжения трансформатора.
Рис. 6.18. Функциональная схема САУ температурным режимом доводки стали в АПК, где БФУ - блок задания и формирования температурных режимов АПК в функции времени (остальные элементы схемы расшифрованы в тексте).
РМ осуществляет формирование управляющих сигналов на перемещения электродов (ИМЭ) Cj( ), где j = 1, 2, 3 - номер фазы АПК, а также на переключатель ступеней напряжения трансформатора (ПСН) nтр ( ). РМ работает по принципу поиска максимума РД() РД(I) дуг на каждой текущей ступени напряжения.
Одновременно в блоке Д вычисляется производная от ошибки по времени. Далее сигнал ошибки и производной от ошибки поступает на элементы взятия модуля М. Модуль рассогласования | ( ) | с выхода элемента М, а также модуль его производной по времени ' | ( ) | поступают одновременно на элементы сравнения, где для каждой текущей стадии & сравниваются с заданными значениями нечувствительности zн( ) и zн(), формируя ошибки 1( ) и ( ), которые поступают на релейные логические элементы Р2 и Р3. Таким образом, элементы Р1 и Р2 формируют соответственно своим характеристикам сигналы s1 {0; 1} и s2 {0; 1}, и в результате логической операции И формируется логический сигнал s {0;1}. При s = 1, то есть когда s1 = 1 и s2 = 1 переходный процесс завершается, не выходя & за заданные ограничения zн( ) и zн(). После этого запускается реле времени РВ. В РВ из - 37 - БФУ также поступает в соответствии с программой значение времени выдержки , необi ходимой на данной стадии, где i - номер стадии. По окончанию отсчета заданного времени , реле времени формирует логический сигнал u, который увеличивает значение nст счетi чика стадий СС на единицу. Значение номера текущей стадии передается в БФУ, где происходит выборка новых значений уставок. Сброс реле времени осуществляется при поступлении нового значения , а запуск его происходит при появлении сигнала s = 1.
i Предлагаемый принцип подразумевает, что управление температурой в АПК производится с помощью главной отрицательной обратной связи по текущей температуре tм(), измеренной ДТМ. Перемещая электроды, регулятор мощности РМ производит поиск (рис.
6.20 б) и поддержание максимальной полезной мощности для выбранной ступени напряжения, что в совокупности с работой ДТМ обеспечивает минимизацию фактического суммарного времени регулирования программно заданного температурного режима внепечной доводки стали в функции избыточной длительности технологических процессов для каждой ступени ПТ. При этом, независимо от величины p i + i, переключатель ступеней напряз жения ПСН исходя из реально достигнутой температуры tм tмi переключает элементом РМ на следующую ступень напряжения, т.е. не дожидаясь, как это было в известных первоначально разработанных САУ-ДСП, завершения технологически заданного программного времени работы на ранее установленной ступени.
Функция переключения ступеней трансформатора в режиме управления с главной отрицательной обратной связью по температуре соответственно имеет вид:
з u1, 0 ' з u2, '1 < 'з uос () = , Е u з, 'n-1 < 'n n где uiз - значения напряжения, заданные для каждой ступени ПТ, а i - моменты переключения ступеней (i < i), рассчитываемые по формуле:
'i = + iзап, pi з tм (uос ()) где р i - момент времени, при котором измеренная температура расплава вперз tмi вые достигает значения, заданного по регламенту ; iзап - техническое запаздывание, необходимое для предотвращения термических ударов на футеровку, и расплавление более тугоплавких оксидов. Значение p i рассчитывается согласно выражению:
- 38 - з з , tм (uос ()) = tмi темп темп = min(i ()), где i () =.
pi з з - iзап, tм (uос ()) tмi i Принимая эти условия работы АПК для всех ступеней ПТ можем записать n n ( +i ) ( +iзап ). Таким образом, в режиме корпоративного управления с обратpi pi i=1 i=ной связью по температуре, достигается существенная экономия времени, затрачиваемого на плавку.
Рис. 6.20. б Процесс управления режимом доводки стали в АПК (с обратной связью по температуре стали) Рассмотрим раздельно отрезок (0 ; *1) и отрезок (*1 ; *2). На первом отрезке, за счет более раннего переключения ступеней в режиме управления с обратной связью по температуре, затрачивается несколько большее количество энергии (рис. 6.20 б, левая штриховка):
*1 * з з Pос+ = пр u з () iос ()d - u з () iпр ()d, *1 -0 0 ос или *з з з з Pос+ = (uос () iос () - uпр () iпр ())d.
*1 -0 - 39 - Однако на втором отрезке достигается существенно большая экономия за счет того, что плавка в режиме управления с обратной связью уже закончена, а плавка в программном режиме - продолжается (рис. 6.20 б, правая штриховка):
*з Pпр+ = uз () iпр()d.
*2 -*1 *1 пр Тогда, выражение для экономии мощности, принимает вид:
P = Pпр+ - Pос+.
Критерий оптимизации качественных показателей процесса электродуговой плавки имеет вид:
*з P = uз () iпр()d *2 -*1 *1пр n, = max.
i *1 i=з з з з - (uос() iос() - uос() iос())d max з *1 -0 uос () Экспериментальными исследованиями опытного образца корпоративной САУ-АПК построенной по наиболее перспективному новому принципу, установлено, что она обеспечивает снижение тепловых потерь на 5-8 %, удельных затрат электроэнергии на 3-4 %, увеличение производительности АПК на 1,52 % за одну загрузку АПК. Кроме того, повышается качество заготовки на выходе машины непрерывного литья (МНЛЗ) за счет высокой точности поддержания технологически необходимой длительности температурных 'i (рi + i ) режимов обработки стали перед его заливкой в МНЛЗ, в частности, существенно снижаются окалинообразование и расход электродов.
Приложение (на 70 с.) содержит дополнительные материалы исследований и документы об использовании результатов работы.
Заключение по работе В диссертации на основе развития и обобщения теоретических положений в области моделирования, автоматизации и оптимизации энергетических и тепловых режимов производства стали по схеме шихтоподготовка - электросталеплавильные переделы - внепечная доводка стали изложены научно обоснованные прогрессивные технические решения по автоматической оптимизации и управлению технологическими процессами в рассматриваемой схеме, совокупность которых представляет решение социально-экономически важной актуальной проблемы обеспечения безопасности сталеплавильчиков, снижения электроэнергии, кокса, повышения производительности действующих и проектируемых агрегатов и оптимизацию режимных параметров технологических переделов в сквозной схеме производства - 40 - стали, а внедрение результатов исследований вносит значительный вклад в развитие экономики России и науки по автоматизации электросталеплавильных процессов.
Основные выводы по диссертации.
1. Обобщением анализа теоретических и практических принципов построения САУ и оптимизации технологическими процессами в сквозной схеме шихтоподготовка - электросталеплавильные переделы - внепечная доводка стали, установлено общее свойство для всех корпоративных процессов автоматизации технологической схемы, а именно статические их характеристики имеют унимодальную экстремальную зависимость между управляющими и управляемыми параметрами, экстремум которых непрерывно дрейфует под воздействием неконтролируемых возмущений, что является основанием для признания перспективности создания корпоративных адаптивных САУ с универсальной структурой, обладающих свойствами динамического поиска и поддержания экстремальных и оптимальных режимов производства стали;
2. Экспериментальными исследованиями доказано несовершенство применяемых ГОСТов и инструкций по отбору проб и контролю химического состава и количества каждого вида ЖРС в мощном его потоке (до 500 тонн/час) и предложена методология научного обоснования указанного несовершенства, заключающаяся в определении частоты отбора, суммарной массы отобранных проб из условия удовлетворения критериям достоверности результатов контроля с учетом инерционности процесса металлургической переработки мощного потока шихты;
3. На уровне изобретения России (патент № 2373527 Бюлл. изобретений № 32 от 20.11.2009 г.), разработан новый промышленный автоматический комплекс (ПАК) для непрерывного контроля химического состава и количества каждого вида ЖРС в мощном потоке на движущейся транспортерной ленте, обеспечивающий повышение точности контроля не менее чем в 2,5 раза, быстродействия в 5 раз и достоверности 98 % (установлено, что действующие аналоги имеют достоверность до 70 - 80 %);
4. Разработаны алгоритмы функционирования созданной ПАК, корпоративных САУ энергетическими и температурными режимами работы САОУ и алгоритм подпрограммы формирования сигналов информации о химическом и количественном составе каждого вида сырья ЖРС в бункере, а также алгоритм формирования аварийных сигналов, автоматически вынуждающих разгрузку расходного бункера;
5. Проведены промышленные испытания разработанной автором корпоративной АСУТП-АФ4, главная обратная отрицательная связь, в которой впервые реализован созданный ПАК с алгоритмами его функционирования и подтверждена высокая точность (2%) ав- 41 - томатического поддержания основности готовой шихты и обеспечение при этом снижение расхода кокса на 1,0 % при производстве чугуна;
6. Теоретическими исследованиями, доказана, что для автоматической оптимизации электрического режима АПК с 3-х фазной ДСП переменного тока, целесообразно реализовать корпоративную САУ по двухконтурной схеме с использованием стабилизирующего и оптимизирующего контуров САУ, а в качестве целевой функции принять максимальную производительность АПК. Исследованиями разработанной комплексной математической модели электрической дуги и исполнительного гидравлического механизма привода электрода ДСП доказано, что в качестве стабилизируемого электрического параметра предпочтительно использовать напряжение дуги или величину полного сопротивления короткой цепи печного трансформатора (ПТ), т.к. только в этих случаях исключается нежелательное взаимовлияние падений напряжений на дугах фаз;
7. Научно обоснована перспективность предложенного программно реализованного варианта корпоративной динамической поисковой системы автоматической оптимизации управления (САОУ) шагового типа, обеспечивающего удовлетворительные показатели качества в условиях действия стохастических и трудно прогнозируемых возмущений;
8. Исследованиями процессов оптимизации управления энергетическим режимом АПК на разработанных математических и физических моделях подтверждена эффективность универсального программно реализованного варианта САОУ, а именно - доказано сокращение времени изучения работоспособности и эффективности САОУ, не менее чем в 4 раза по сравнению с испытаниями на реальном действующем объекте и возможность использования его в качестве тренинговой установки для операторов и наладчиков;
9. Дано научное обоснование выбора параметров оптимизации циркуляционного рафинирования стали, а именно - в режиме вакуумно-кислородном рафинировании (ВКР) в качестве оптимизируемого параметра эффективно принять величину давления в вакуумкамере при постоянной пониженной производительности вакуумных насосов, а в режиме основного вакуумирования ВАК в качестве оптимизируемого параметра целесообразно принять величину расхода отходящих из вакуум-камеры газов, удаляемых из металла при максимальной производительности пароэжекторных насосов;
10. Доказана высокая эффективность использования синтезированной универсальной двухконтурной системы управления процессом циркуляционного вакуумирования, оптимизирующий контур которой функционирует с разработанными поисковыми алгоритмами экстремального регулирования, а при синтезе оптимизирующего алгоритма экстремального регулирования в качестве информационного входного сигнала использована скорость изменения оптимизируемого параметра и предложенный принцип подачи управляющего воздейст- 42 - вия на остановку ИМ в момент достижения экстремума изменения скорости оптимизируемого параметра. Научно установлено, что такой принцип компенсирует негативные влияние инерционности и запаздывания оптимизируемого процесса на эффективность функционирования и исключает периодический режим работы поисковой динамической САОУ технологическим процессом;
11. Предложен новый принцип построения корпоративной САУ - ДСП, заключающийся в том, что при синтезе оптимизирующего алгоритма управления перспективно использовать статистический метод экстремального регулирования на основе нечетких функций, обеспечивающий формирование управляющего значения коэффициента корреляции между случайными величинами: входным поисковым управляющим воздействием и откликом на это воздействие оптимизируемого параметра технологического процесса;
12. Математическими и физическими исследованиями программной реализуемости и работоспособности корпоративной универсальной по структуре САОУ реализованной на реальных технических средствах компьютерной автоматики, подтвердили прогрессивность предложенных методов поисковой динамической оптимизации управления инерционным с запаздыванием процессов циркуляционного вакуумирования на различных режимах внепечной доводки стали;
13. Разработаны, теоретически и экспериментально обоснованы два новых метода построения САУ температурным режимом жидкой стали в мощном электродуговом АПК, причем:
Х первый из них адаптирован к условиям доводки стали в мощных АПК, ориентированный на программную реализацию с использованием микропроцессорного управляющего контроллера и расчетный способ контроля текущего температурного состояния жидкой стали с использованием многозонной термопары, установленной внутри футеровки ДСП;
Х второй метод основан на самонастройке жестко заданных программных параметров процесса внепечной доводки стали, при одновременной адаптации экстремальных характеристик печного трансформатора по критериям минимизации времени пребывания жидкой стали под током дуги электродов, поиска и поддержания на них максимальной мощности в условиях действия неконтролируемых возмущений. Предложенный подход реализован на САУ мощном электродуговом АПК, для которой теоретически получены функционалы критериев управления и оценки эффективности, а также функции переключения ступеней печного трансформатора по прямым непрерывным тепловизорным измерениям температуры жидкой стали и остаточной толщины огнеупорной футеровки ДСП в зоне электродуг фаз (патенты России: № 2366936 - опубл. в Бюлл. № 25 от 10.09.2009 г.; № - 43 - 2368853 - Бюлл. № 27 от 27.09.2009 г., а также патенты по заявкам: №2009125355 от 03.07.2009 г. и №2010112817 от 05.04.2010 г.);
14. Испытаниями обоих новых методов подтверждено:
Х первый метод обеспечивает точность измерения и управления температуры жидкой стали 13 С (типовая термопара разового пользования гр. ТПП имеет точность 22,5 С), но имеет достаточно низкое быстродействие;
Х второй метод обеспечивает: безопасность и высокое быстродействие; непрерывное измерение и управление температуры жидкой стали с точностью 8,5 С; снижение тепловых потерь на 5Е8%, удельных затрат электроэнергии на 3Е4%, увеличение производительности АПК на 1,5Е2% за одну загрузку АПК, а также многократно упрощает непрерывный автоматический контроль огнеупорной футеровки АПК одним тепловизором.
Основные публикации по теме диссертации Публикации в рецензируемых журналах из списка ВАК 1. Ишметьев Е.Н., Салихов З.Г. Инженерные основы расчета быстродействия обмена информацией в управляющей системе при различной конфигурации сети связи // Известия ВУЗов Цветная металлургия, № 6, 2006 г. - С. 65 - 69.
2. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Усачев М.В., Ишметьев Е.Н. Выбор параметра для оптимизации электрического режима дуговых печей переменного тока // Математика. Приложение математики в экономических, технических и педагогических исследования: Сб. н.
тр. Выпуск 4 Магнитогорск: МГТУ, 2006 г. - С. 188 - 191.
3. Мамонтов Д.В., Алкацев М.И., Ишметьев Е.Н. Автоматизированное моделирование металлургических процессов с использованием методов теории подобия (П-теоремы) // Изв.
ВУЗов Цветная металлургия, М., № 4, 2006 г., с. 36 - 38.
4. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Ишметьев Е.Н. Динамическая оптимизация циркуляционного вакуумирования стали // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. научных трудов. Вып. 14. - Магнитогорск: МГТУ, 2007. - С. 210 - 215.
5. Ишметьев Е.Н., Андреев С.М., Парсункин Б.Н., Салихов З.Г. Исследование оптимального управления процессом циркуляционного вакуумирования // Изв. ВУЗов Черная металлургия, № 3, 2007. С. 52 - 55.
6. Парсункин Б.Н., Ишметьев Е.Н., Салихов З.Г., Усачев М.В. Система автоматической оптимизации управления энергетическим режимом при доводке стали в печь-ковш // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. трудов. Выпуск 14 - Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2007. - С. 220 - 228.
- 44 - 7. IshmetТev E.N., Andreev S.M., Parsunkin B.N., Salikhov Z.G. Optimal Control of Circulatory Vacuum Treatment // Известия ВУЗов Черная металлургия, № 3, 2007 г. P. 238 - 242.
8. Салихов З.Г., Ишметьев Е.Н., Рутковский А.Л., Алехин В.И., Салихов М.З. Асимптотические методы регуляризации сингулярно-возмущенных стахостических задач оптимального управления // Известия ВУЗов Черная металлургия, М., № 1, 2008 г. С. 60 - 63.
9. IshmetТev E.N., Alox N., Volkov A., Sokolov A. On-line X-Ray Fluorescence analysis of Jronore mixture ona conveyor Belt // Book of Abstracts, EXRS - 2008 European Conference on XRay Spectrometry, 16-20 June 2008, Cavtat, Dubrovnik, Croatia. Zagreb, 2008. - P. 50.
10. Salikhov Z.G., IshmetТev E.N., Rutkovskii A.L., Alekhin V.I., Salikhov M. Z. Asymptotic Regularization Methods in Singularly Perturbed Stochastic Optimal-Control Problems // Известия ВУЗов Черная металлургия, № 1, 2008 г. ЦP. 17 - 20.
11. Ишметьев Е.Н., Андреев С.М., Парсункин Б.Н., Салихов З.Г., Усачев М.В. Оптимизация энергетического режима работы электродуговой печи // Изв. ВУЗов Черная металлургия, № 5, 2007. - С. 23 - 27.
12. IshmetТev E.N., Andreev S.M., Parsunkin B.N., Salikhov Z.G. Optimal Control of Circulatory Vacuum Treatment. // Изв. ВУЗов Черная металлургия, М.: № 3, 2007, p. 238 - 242.
13. Ишметьев Е.Н., Зыков И.Е. Разработка модели нечетной логики и регулятора для управления процессом плавки медного сульфидного концентрата в печи Ванюкова // Известия ВУЗов Цветная металлургия, М: 2009, №1. - С. 56 - 58.
14. Ишметьев Е.Н., Ушеров А.И., Алов Н.В. и др. Основной источник погрешностей при ренгенофлуоресцентном анализе железорудных смесей // Заводская лаборатория. 2009. № 3.
Ц С. 25 - 26.
15. Ишметьев Е.Н., Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Салихов З.Г., Ахметов У.Б., Михальченко Е.С. Интенсификация нагрева расплава при оперативном управлении энергетическим режимом ДСП по оценке температуры жидкого металла // Изв. ВУЗов Черная металлургия, № 7, 2009. - С. 59 - 63.
16. Ишметьев Е.Н., Салихов З.Г., Щетинин А.П., Будадин О.Н. Автоматическая диагностика эксплуатационного состояния опасных зон пирометаллургического агрегата // Изв. ВУЗов Черная металлургия, № 1, 2010 г. - С. 58 - 61.
17. Салихов З.Г., Ишметьев Е.Н. АСУ температурным режимом доводки стали в электродуговом агрегате печь-ковш // Автоматизация в промышленности М.: Изд. ИнфАвтоматизация при ИПУ РАН, № 4, 2010. С. 10 - 14.
18. Ишметьев Е.Н., Алов Н.В., Волков А.И., Ушеров А.И. Непрерывный ренгенофлуоресцентный анализ железорудных смесей в производстве агломерата // Журнал аналитической химии. 2010. том 65, № 2. - С. 173 - 177.
- 45 - Монографии 19. Ишметьев Е.Н., Андреев С.М., Парсункин Б.Н., Салихов З.Г. Автоматизация и оптимизация управления технологическими процессами внепечной доводки стали // Монография.
Изд. МГГУ, г. Магнитогорск, 2008 г. - С. 311.
20. Салихов З.Г., Будадин О.Н., Ишметьев Е.Н., Щетинин А.П., Троицкий-Марков Т.Е., Абрамова Е.В. Инженерные основы теплового контроля. Опыт промышленного применения // М. Издательский дом Учеба МИСиС. 2008, 476 с.
Патенты 21. Ишметьев Е.Н., Салихов З.Г., Соколов А.Д., Ушеров А.И., Ушерова Е.В., Хажеев Д.Д.
Автоматический комплекс для непрерывного контроля химического состава и количества движущихся металлосодержащих смесей // Патент № 2373527. Бюллетень открытий и изобретений № 32 от 20.11.2009 г.
22. Салихов З.Г., Будадин О.Н., Щетинин А.П., Ишметьев Е.Н. Способ диагностики эксплуатационного состояния фурменной или опасной зоны пирометаллургического агрегата // Патент РФ № 2366936. Бюллетень открытий и изобретений № 25 от 10.09.2009 г.
23. Салихов З.Г., Афанасьев А.Г., Ишметьев Е.Н., Салихов К.З., Орешкин С.А. Способ автоматического контроля верхнего уровня шлаковой фазы и границы раздела шлаковой и металлической фазы в ванне металлургической печи // Патент № 2368853. Бюллетень открытий и изобретений № 27 от 27.09.2009 г.
24. Ишметьев Е.Н., Салихов З.Г., Щетинин А.П., Салихов К.З. Устройство контроля температуры в электродуговой печи // Патент России по заявке № 2009125355 от 03.07.2009 г.
Интернет ФИПС.
25. Салихов З.Г., Ишметьев Е.Н., Топоров В.И., Салихов К.З. Устройство автоматического контроля температуры жидкого металла в реакционной емкости и изменения толщины огнеупорной футеровки электродуговой печи // Патент по заявке № 2010112817 от 05.04.2010 г.
Публикации в других изданиях 26. Ишметьев Е.Н. Алгоритм математического моделирования оптимальной величины функционала эффективности АСУ // Доклад на международной конференции Моделирование, идентификация, синтез систем управления. 16-23 сентября 2006 г., по. Канака, АР Крым.
27. Салихов З.Г., Ишметьев Е.Н., Ушеров А.И., Ушерова Е.В., Волков А.И. Промышленный автоматический комплекс для непрерывного контроля химического состава железорудных смесей на движущейся ленте // Труды IV международной научно-практической кон- 46 - ференции Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении, ГТУ МИСиС, М., 3-4 апреля 2008 г. - С. 317.
28. Ишметьев Е.Н., Щетинин А.П., Павлов В.В. Тепловой контроль эксплуатационного состояния фурменной или опасной зоны пирометаллургического агрегата // Моделирование, идентификация, синтез систем управления. Сб. тезисов XI Международной научнотехнич. Конференции 14-21 сентября 2008 г. Москва-Донецк.С. 129 - 132.
29. Ишметьев Е.Н., Баранов С.В., Будадин О.Н. Тепловой контроль и диагностика технического состояния плоских нагревательных элементов в реальных условиях эксплуатации с оценкой их остаточного ресурса // Моделирование, идентификация, синтез систем управления. Сб.тезисов XI Международной научно-технич. Конференции 14-21 сентября 2008 г. Москва-Донецк. - С. 136 - 137.
30. Ишметьев Е.Н., Будадин О.Н., Топоров В.И. Тепловой контроль безопасности эксплуатации силовых электрических кабелей и электропроводки // Моделирование, идентификация, синтез систем управления. Сб.тезисов XI Международной научно-технич. Конференции 14-21 сентября 2008 г. Москва-Донецк. С. 137 - 140.
31. Салихов З.Г., Ишметьев Е.Н., Рутковский А.Л., Алехин В.И. Математическое моделирование сингулярно-возмущенных многокритериальных задач оптимального управления технологическими объектами // Моделирование, идентификация, синтез систем управления. Сб. тезисов XI Международной научно-технич. Конференции 14-21 сентября 2008 г. Москва-Донецк. - С. 152 - 163.
32. Ишметьев Е.Н., Салихов З.Г., Щетинин А.П. Дуплекспечь для ферросплавов // Международный патент по заявке на изобретение № PTC/RU 2009/000621 от 27.05.2008 г. Опубл.
3.12.2009 г. за № WO/2009/145672. Женева.
33. Ушеров А.И., Ушерова Е.В., Вдовин К.Н., Алов Н.В., Волков А.И., Ишметьев Е.Н. Причины невоспроизводимости определения железа в железорудных смесях (ЖРС) // Материалы 66-ой научно-технической конференции: Сб. докл. - Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2008, - Т.1, с. 114 - 117.
34. Ишметьев Е.Н., Алов Н.В., Волков А.И., Соколов А.Д. Применение РФА для непрерывного контроля состава железорудных смесей в производстве // VI Всероссийская конференция по рентгеноспектральному анализу с международным участием. 5 - 10 октября 2008 г. Краснодар. Материалы конференции. С. 25 - 26.
35.Ишметьев Е.Н., Салихов З.Г., Газимов Р.Т., Салихов К.З. Принцип оперативного управления охлаждением заготовки на МНЛЗ радиального типа // Моделирование, идентификация, синтез систем управления: Сборник тезисов двенадцатой международной научнотехнической конференции. Украина (Крым), 2009. С. 152 - 153.
- 47 - 36.Ишметьев Е.Н., Салихов З.Г. Метод измерения температуры жидкой стали и высоты шлака в дуговых сталеплавильных печах // Моделирование, идентификация, синтез систем управления: Сборник тезисов 13-ой международной научно-технической конференции, Украина (Крым), 2010. С. 148 - 150.
37.Ишметьев Е.Н., Салихов З.Г. Новый принцип оперативного контроля и управления процессов плавки стали с применением электродуговых сталеплавильных печей (ДСП) // Труды V-ой международной научно-практической конференции Энергосберегающие технологии в промышленности, М.: НИТУ МИСиС, 2010. С. 234 - 238.
38.Ишметьев Е.Н. Принципы создания корпоративных автоматических систем управления технологическими процессами в многопередельных схемах производства стали // Моделирование, идентификация, синтез систем управления: Сборник тезисов 13-ой международной научно-технической конференции, Украина (Крым), 2010. С. 161 - 162.
39. E.N. IchmetТev, Z.G. Salikhov, A.P. Shchetinin and O.N. Budadin. Automatic Diagnostics of the State of Hazardous Zones in Pyrometallurgical Systems // ISSN 0967-0912. Steel in Translation. 2010. Vol. 1. pp. 27 - 30.
- 48 -
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям