Конечной целью разработок информационных систем, и систем управления комплексом доменных печей (цехом) в частности, является создание системы управления, которая обеспечивает нормальную работу производства в целом при минимальной себестоимости продукции с учётом ограничений, обусловленных требованиями технологии и возможностями оборудования.
При анализе работы доменной печи её следует рассматривать как управляемую технологическую систему. Упрощено комплекс доменной печи может быть представлен схемой, приведённой на рисунке 1.
V0, U0, Y0 – отчётные данные о параметрах и показателях работы доменной печи; V – входные воздействия; U – управляющие воздействия; Y – выходные показатели процесса; Zx – неконтролируемые изменения внутренних характеристик процесса; ZV,U – неконтролируемые изменения входных и управляющих воздействий; ZY – потери чугуна со скрапом и шлаком, вынос колошниковой пыли; Ц – целевая функция управления; А – алгоритм управления; О – ограничения.
Рисунок 1 – Доменная печь как управляемая технологическая система
При анализе любого технологического процесса можно выделить три основные группы переменных:
· режимные параметры, отражающие средние значения контролируемых входных воздействий при установившемся состоянии технологического процесса (V, U);
· средние значения количественных и качественных показателей технологического процесса (Y);
· возмущения, которые условно можно разделить на внешние, приложенные к входам и выходам процесса (Zv,u, Zy), и внутренние, приложенные к состоянию процесса (Zx).
Заметим, что количество контролируемых входных параметров V>150 (с учётом показателей химического состава и массы отдельных компонентов шихты), управляющих воздействий «сверху» и «снизу» U около 2 (система загрузки, дутьевые параметры и т.д.), основных управляемых выходных показателей процесса Y>10.
Показателями (целевой функцией, критериями) (Ц) технологической эффективности работы печи, технологического персонала и информационной системы являются: удельный расход кокса, производительность печи, выход кондиционного чугуна по содержанию серы в чугуне, температура жидких продуктов плавки в соответствии с требованиями последующего сталеплавильного производства. При этом должны быть выполнены ограничения (О) на технологию доменной плавки, т.е. обеспечена минимальная вероятность попадания технологического состояния печи в так называемые критические области (критические, аварийные режимы работы). шихты, отклонения температуры и состава дутья от заданных значений (Zv,u), нарушения в распределении материалов и газов по сечению печи (Zx). Для обеспечения стабилизации теплового режима требуется обеспечивать постоянный баланс основных составляющих режима плавки: нагрев материалов в печи, дренажные свойства шихтовых материалов, положение границ и формы зон вязкопластических материалов, плавления чугуна, процессы шлакообразования в нижних зонах печи и работа фурменного очага. Переходные процессы, связанные с действием возмущений, приводят к изменению теплового состояния процесса и, следовательно, к изменению состава продуктов плавки. При этом доменная печь как объект управления обладает большой инерционностью по отдельным каналам воздействий (постоянная времени достигает 2–4 часов) и запаздыванием (время запаздывания объекта 6–7 часов). Так, при изменении состава шихты переходный процесс длится до 15–20 часов. Указанные обстоятельства, безусловно, значительно усложняют процесс управления. Компенсация колебаний химического состава чугуна осуществляется технологами в основном за счёт изменения массы кокса в подачу или изменения дутьевых параметров. Величина управляющих воздействий определяется статическими и динамическими характеристиками процесса. Эти характеристики являются нелинейными и изменяются во времени при колебаниях условий плавки, требуя соответствующего изменения величины управляющих воздействий.
Современная доменная печь является организованной управляемой интерактивной системой. Состояние этой системы определяется закономерностями комплекса физических процессов, протекающих в доменной печи, особенностями технологии, зависящей от конкретных топливно-сырьевых условий и оборудования доменной печи, включающей системы подготовки шихты, комбинированного дутья, систему отработки продуктов плавки, и принятым способом управления.
В связи с этим при оценке эффективности доменной плавки приходится анализировать не только процесс выплавки чугуна в доменной печи с его комплексом физических закономерностей, а также организованную функциональную систему с системами сбора информации, управления в контуре обратной связи. При этом под системой управления понимаются как используемые технические средства контроля и управления с присущими им метрологическими особенностями, так и участвующие в управлении технологи (лица, принимающие решения), целенаправленные действия которых обеспечивают управление доменным процессом.
Таким образом, автоматизированный технологический комплекс доменной печи как объект контроля и управления можно характеризовать следующими признаками:
· большим объёмом контролируемых переменных их расчётных признаков;
· низкой прозрачностью процесса, так как отсутствует возможность непосредственного контроля развития отдельных стадий процесса выплавки чугуна;
· существенным запаздыванием в получении информации о выходных показателях процесса (продуктах плавки), в связи с чем результаты непосредственного контроля часто не позволяют определять первопричину расстройства хода печи;
· глубокой взаимосвязью всех процессов плавки при ограниченности ресурсов на управление;
· наличием случайных измерительных помех различной природы и характера, что снижает качество информации.
Комплексный подход к учёту всей совокупности перечисленных признаков диктует необходимость построения самых современных информационно-управляющих систем.
Развитие сетевой инфраструктуры внутри доменного цеха и интеграция ее в корпоративную сеть предприятия приводит к существенному росту количества пользователей системы как среди технологического персонала доменного цеха, так и корпоративных клиентов. Это ставит новые задачи по администрированию систем, организации защиты информации от несанкционированного доступа, защиты информации от вирусных атак.
Происходит внедрение корпоративных систем управления на крупных предприятиях России, расширяется функциональность и место системы АСУП доменного цеха. Так, в рамках внедрения корпоративной информационной системы управления предприятием в доменном цехе вводятся в эксплуатацию такие системы, как система управления кадрами, система бухгалтерского учёта, система учёта затрат на производство, система планирования и учёта затрат на ремонты и другие. Таким образом, система АСУП доменного цеха становится основным поставщиком оперативной и достоверной информации о производственной деятельности цеха в системы корпоративного уровня.
Развитие и совершенствование информационных функций АСУ ТП доменной плавки привело к необходимости создания, по сути, нового класса информационных систем – автоматизированных информационных систем технического обслуживания и управления (АИСТОУ). По своей сути и решаемым задачам сегодня АСУ ТП доменной печи можно отнести именно к этому классу, т.к. помимо традиционных информационно-управляющих функций существенная роль в силу специфики доменной плавки отводится следующим задачам:
· обнаружения аварийных ситуаций и выдачи необходимой сигнализации;
· диагностики оборудования, электронной архивации данных о состоянии оборудования, ведения архивов технологической информации, журналов событий;
· обеспечения удобного доступа персонала к оперативной и архивной информации, создания и документирования суточных и других документов.
В АИСТОУ используют стандартные сетевые средства связи; желательно обеспечение программной совместимости с наиболее распространёнными в нашей стране компьютерными платформами; предусмотрены значительные ресурсы в размерах буферов для хранения данных, имеются возможности расширения области применения пакетов, используемых для подключения новых подсистем и прикладных программ.
В соответствии с современной идеологией основные задачи управления решаются на нижних уровнях системы, что позволяет повысить реактивность системы и разгрузить вычислительную сеть от передачи излишней информации. На верхние уровни управления возлагаются только те задачи, для выполнения которых вычислительные средства нижних уровней не приспособлены.
АИСТОУ включает следующие основные подсистемы (блоки) (рисунок 2):
· распределённая подсистема контроля, сигнализации и локального управления (РСКУ);
· агрегатная подсистема;
· диспетчерская подсистема технологического персонала доменной печи;
· диспетчерская подсистема доменного цеха;
· инженерная подсистема;
· подсистема администрирования и управления информационной системой;
· подсистема интеграции с системами корпоративного уровня.
Рисунок 2 – Структурная схема автоматизированной информационной системы технического обслуживания и управления доменного цеха
Дадим краткую характеристику функций, выполняемых этими отдельными подсистемами.
Распределенная подсистема сигнализации, контроля и локального управления (РСКУ) – основные решаемые функции:
· сбор данных от рассредоточенных по доменной печи и оборудованию датчиков;
· предварительная обработка собранных данных;
· выработка и реализация ряда управляющих сигналов (автоматическое регулирование отдельных параметров);
· осуществление ручного управления;
· предоставление собираемых данных на диспетчерский уровень.
Этот уровень управления характеризуется следующими показателями:
· предельно высокой реактивностью режимов реального времени;
· предельной надёжностью (на уровне надёжности основного оборудования);
· функциональной полнотой модулей устройств связи с объектом;
· возможностью автономной работы при отказах комплексов управления верхних уровней;
· возможностью функционирования в сложных цеховых условиях.
РСКУ формируется из датчиков, преобразователей, исполнительных механизмов, регулирующих органов и связанных с ними контроллеров. Поскольку перечисленные средства должны обеспечивать возможность построения локальных контуров управления, данный уровень должен работать в реальном времени. Время реакции систем, используемых в доменных печах, на этом уровне не должно превышать нескольких десятков миллисекунд. Большие геометрические размеры агрегата, повышенные значения температур, загазованность, резкие перепады температуры окружающей среды, высокий уровень вибрации и другое предъявляют особые требования к надёжности средств этого уровня.
Заметим, что для реализации задач этого уровня в промышленных системах существует в принципе два конкурирующих направления в технике: индустриальные (промышленные) компьютеры PC и программируемые логические контроллерыPLC.
Индустриальные (промышленные) компьютеры (PC), как правило, программно совместимы с обычными офисными РС компьютерами, но адаптированы для жёстких условий промышленной эксплуатации. Они должны работать круглосуточно, подвергаясь воздействию окружающей среды: влаги, пыли, вибрации. В качестве устройств сопряжения с объектом управления данные системы комплектуются дополнительными платами (адаптерами) расширения, представленными на рынке в большом разнообразии. В качестве операционной системы в промышленных РС чаще всего применяется Windows XP Embedded, поскольку для промышленного использования в системе не должно быть ничего лишнего.
Основными элементами РСКУ АИСТОУ являются подсистемы управления: шихтоподачей, дутьевым режимом и доменной печью.
Подсистема управления шихтоподачей осуществляет:
· автоматический контроль химического состава шихтовых материалов и их запасов в расходных бункерах бункерной эстакады;
· автоматическое управление процессом порционного дозирования (набор, хранение и выгрузка отдельных доз шихтовых материалов по каналам дозирования по заданной программе);
· адаптивную динамическую компенсацию контролируемых возмущений при дозировании шихтовых материалов;
· автоматическое управление формированием порций шихтовых материалов по заданной программе;
· управление загрузочным устройством;
· контроль уровня засыпи, скорости опускания шихты на колошнике.
Подсистема управления дутьевым режимом осуществляет:
· контроль и регулирование основных параметров блока воздухонагревателей;
· контроль давления и расхода холодного дутья, содержания в нем кислорода;
· регулирование соотношения расходов «природный газ – холодное дутье»;
· стабилизацию температуры и влажности горячего дутья;
· регулирование давления природного газа;
· управление распределением природного газа по фурмам доменной печи и др.
Подсистема управления доменной печью выполняет:
· регулирование давления газа под колошником;
· контроль следующих параметров: температуры и состава колошникового газа, перепадов статического давления по высоте печи;
· контроль состава и температуры газов над (под) уровнем засыпи;
· контроль системы охлаждения и прогара фурм доменной печи;
· контроль температуры брони;
· контроль состава, температуры массы чугуна на выпуске и др.
Агрегатная подсистема. Основные решаемые функции:
· обработка данных, включая масштабирование;
· синхронизация работы подсистем;
· организация архивов по выбранным параметрам;
· резервирование каналов передачи данных;
· визуализация накопленной информации;
· расчет и выбор законов управления, настроек и уставок, соответствующих заданным показателям качества управления и текущим (или прогнозным) параметрам объекта управления;
· хранение и дистанционная загрузка управляющих программ в PLC;
· контроль работоспособности оборудования первого уровня, реконфигурация комплекса для выбранного режима работы;
· связь с третьим уровнем;
· обмен информацией с диспетчерским уровнем и подсистемами нижнего уровня;
· хранение данных.
Аппаратная база должна быть более мощной, предусматривающей возможность обмена через промышленные сети и сети общего назначения с нижним и верхним уровнем. Предусмотрена организация горизонтальных соединений с базами данных реального времени.
Диспетчерская подсистема технологического персонала доменной печи - решает следующие задачи:
· оценка технологического состояния доменной печи;
· диагностика режима плавки;
· обнаружение аварийных ситуаций и необходимая сигнализация;
· ведение технологических архивов и журналов событий;
· визуализация технологического процесса, текущих и архивных данных, просмотр журналов;
· компьютерная поддержка принятия решений диспетчерского уровня;
· диспетчерское управление.
Диспетчерский уровень образуют несколько (в зависимости от полноты и сложности решаемых задач) персональных компьютеров, расположенных в помещении главного щита контроля и управления доменной печью и образующих автоматизированные рабочие места оперативного персонала доменной печи. При этом используются, чаще всего, промышленные компьютеры РС, обычно ОС общего назначения Windows XP/7/8, технологии Internet/Intranet.
Дадим краткую характеристику основных подсистем диспетчерского уровня технологического персонала доменной печи.
Подсистема централизованного контроля хода технологического процесса и состояния оборудования (АРМ оператора печи – газовщика). Включает в себя ряд подсистем более низкого ранга.
Подсистема отображения технологической информации предназначена для своевременного обеспечения сменного технологического персонала оперативной информацией о доменном процессе в удобной для пользователя форме. В автоматизированной системе интерфейс связи человека (оператора) с компьютером приобретает особое значение. Двоякое назначение этого интерфейса предъявляет к нему требования обеспечения легкого и быстрого восприятия информации человеком, за которым остается «последнее слово» в принятии решения, а также быстрый и безошибочный ввод человеком информации в компьютер. Задача построения графического интерфейса достаточно сложна. Необходимо учитывать множество факторов, в частности структуру имеющихся подсистем, объем и типы собираемой информации, профессиональные навыки и уровень компьютерной подготовки персонала, сложность решаемых задач и т.п.
Общение с компьютером специалиста-доменщика (мастера, газовщика и т.п.), не подготовленного специально для работы на компьютере, представляет серьёзные трудности. Для этих целей предусматриваются специальные программные средства общения человека с компьютером, не требующие специальных знаний в области программирования. Поскольку АРМ работает под управлением ОС Windows, то в основу пользовательского интерфейса заложены аналогичные диалоговые элементы: окна, строковые опускающиеся меню, панели инструментов и т.д. Кроме этого, в АРМ имеется встроенная справочная система, для минимизации ручного ввода служат специальные значения, принимаемые по умолчанию. Достигнутая в результате эргономичность пользовательского интерфейса облегчает эксплуатацию АРМ и значительно сокращает этап обучения персонала. Свойства любого параметра можно узнать из соответствующего информационного окна, где отображаются название параметра, контролируемая подсистема, точность измерения и т.д.
Подсистема отработки жидких продуктов плавки предназначена для просмотра и редактирования информации о постановках ковшей и миксеров под печь, а также информации о выпуске жидких продуктов плавки.
Подсистема шихтоподачи предназначена для просмотра и редактирования информации о ходе загрузки, работе засыпного устройства, количестве подач в смену, системе загрузки, а также информации о расходах железорудных материалов, кокса и флюсов в подаче и т.п.
Подсистема представления отчетных данных (электронный рапорт) предназначена для формирования, хранения и получения твёрдых копий отчетно-технологической информации о работе комплекса доменной печи по заранее согласованной с руководством цеха форме; вычисление усреднённых за заданные интервалы времени (час, смена, сутки) значений параметров плавки; формирование и выдача на экран монитора по запросу сменного технологического персонала справочных форм сменно-суточной отчётности о работе печи от начала смены на текущий момент времени или за предыдущие смены.
Подсистема формирования предупредительных сообщений предназначена для обнаружения отклонений важнейших параметров процесса и наиболее ответственных элементов системы охлаждения печи от их нормального состояния и своевременного информирования об этом сменного технологического персонала в виде соответствующих предупредительных сообщений. Отклонение контролируемых параметров (например, верхнего и нижнего перепадов давления по высоте печи, температур периферийных термопар и в газоотводах, перепадов температуры охлаждающей воды на леточных горновых и верхних холодильниках лещади) от их нормального состояния определяется по выходу их текущих величин за заданные пределы.
Подсистема диагностики технологического состояния печи и управления (АРМ мастера доменной печи). Включает ряд подсистем.
Подсистема оценки и прогноза теплового состояния доменной печи предназначена для оценки текущих и прогнозирования будущих показателей производительности печи, температуры чугуна и содержания кремния, удельного расхода и минимально возможного расхода (резерва) кокса, а также диагностики отклонений от нормального режима плавки по нагреву и развитию тепло- и массообменных процессов. Позволяет рассчитывать корректировку массы кокса и флюсующих материалов в подаче при изменении соотношения железорудных компонентов, состава кокса, параметров комбинированного дутья, химического состава чугуна.
Подсистема оценки дутьевого, газодинамического режимов и ровности хода доменной печи предназначена для стабилизации ровности хода доменной печи, предотвращения аномальных и критических состояний, оценки и планирования газодинамического резерва. К числу критериев устойчивости хода доменной печи относятся интенсивность плавки по коксу (суммарному углероду), газодинамическая устойчивость слоя. Газодинамический резерв контролируется по разности предельно допустимого и фактического перепадов давления газа в шахте. Подсистема позволяет также определять геометрические размеры фурменного очага, оценивает также ход печи (ровность хода печи, развитие канального и периферийного ходов и т.п.).
Подсистема контроля и управления шлаковым режимом. Предназначена для оценки шлакового режима и вязкопластического состояния шихты и обеспечивает выполнение следующих функций:
· расчёт массы железорудных материалов, флюсов и кокса в подаче для получения шлака с заданными свойствами (вязкости, текучести, десульфурирующей способности и т.д.);
· расчёт шихты на заданные показатели, оценка газодинамической напряжённости работы низа печи.
В АРМ мастера должно быть предусмотрено широкое использование математических моделей. Заметим, в связи с этим, что анализ в целом состояния вопроса по реально используемым математическим моделям в практике технологии ведения доменной плавки показывает: в настоящее время разрыв между потенциальными возможностями средств автоматизации и реальными возможностями используемого программного обеспечения огромен. Поэтому первостепенной задачей, по мнению ведущих отечественных и зарубежных специалистов, является создание эффективного математического обеспечения решения технологических задач доменной плавки.
Основное внимание при этом направлено на решение следующих задач:
· оценка, прогноз и регулирование теплового состояния доменной печи в целях уменьшения расхода кокса и получения стабильного качества чугуна по физическому нагреву и химическому составу;
· оценка, прогноз и регулирование дутьевого и газодинамического режимов доменной плавки;
· оценка, прогноз и регулирование состояния зоны плавления, размягчения и шлакообразования как лимитирующей распределение газов и возможности интенсификации плавки.
Именно на этих вопросах и остановимся более подробно в дальнейшем.
Подсистема «Эксперт ». Эта экспертная система на базе искусственного интеллекта позволяет решать ряд технологических задач прогнозирования расстройств хода печей и предоставляет возможность принятия в нештатных ситуациях быстрых и достоверных решений в условиях неполноты и противоречивости информации.
Диспетчерская подсистема доменного цеха (АРМ диспетчера цеха) – решает следующие основные задачи:
· контроль за работой доменных печей, ввод информации о причинах отклонений в ходе технологического процесса, принятия оперативных организационно-технических мер для устранения выявленных отклонений;
· просмотр информации о потребителях и производстве чугуна (наливе и сливе);
· ввод и просмотр информации о движении ковшей и миксеров;
· текущий химический анализ состава окатышей, агломерата, кокса и средний анализ шихты за смену;
· расчёт расходов шихтовых материалов и показателей работы печей и цеха;
· химические анализы состава чугуна и шлака и состава колошникового газа;
· обмен оперативной информацией о состоянии доменных печей и производственных показателях доменного цеха с автоматизированной информационной системой центральной диспетчерской предприятия.
Обычно используются РС-совместимый компьютер под управлением операционной системы Windows XP/7/8.
Инженерная подсистема. Вырабатывает стратегию управления технологией доменного цеха. Применяются компьютеры РС-совместимой архитектуры, ОС Windows XP, технологии Internet/Intranet. Инженерный уровень включает компьютеры инженерного и управленческого персонала доменного цеха и осуществляет:
· предоставление информации со всех доменных печей для просмотра инженерно-техническим и управленческим персоналом;
· визуализацию, архивирование и документирование технологической информации, используемой на инженерном уровне;
· решение комплекса инженерных задач в области стратегии управления доменной плавки, в частности анализ возможных режимов плавки при изменении свойств поступающего железорудного сырья и кокса, распределение имеющихся ресурсов между отдельными доменными печами и т.п.;
· решение этих задач на данном уровне управления, что обеспечивает оптимизацию управления ресурсами цеха как единого организационно-технологического комплекса по заданиям, поступающим с верхнего уровня, и при оперативном учёте текущих параметров, определяющих состояние объекта управления.
Задачи, решаемые на этом уровне, в аспекте требований, предъявляемых к компьютерам, отличаются главным образом повышенными требованиями к ресурсам. Требуется, как правило, ведение единой интегрированной – централизованной или распределенной, однородной или неоднородной баз данных, планирования и диспетчирования на уровне цеха в целом, автоматизации обработки информации в основных и вспомогательных административно-хозяйственных подразделениях цеха: бухгалтерский учет, материально техническое снабжение и т.п. Для решения этих задач выбирают универсальные компьютеры, а также многопроцессорные системы повышенной производительности.
Подсистема администрирования и управления информационной системой. Актуальность создания подобной системы обусловлена необходимостью хранения и управления большим количеством информации, интеграцией локальной сети доменного цеха в единое информационное пространство комбината, высокой степенью концентрации технических и программных средств информационных систем. Этот уровень предназначен:
· для создания и ведения базы данных. Включает в себя систему управления базой данных как отдельных доменных печей, так и всего цеха в целом;
· обеспечения функционирования локальной сети доменного цеха и интеграции её в корпоративную сеть комбината;
· обеспечения защиты информации от несанкционированного доступа;
· обеспечения антивирусной защиты систем;
· инвентаризации технических и программных средств пользователей корпоративной сети;
· оценки состояния технических и программных средств информатизации.
Система обеспечивает, в частности, выдачу оперативных сообщений о нарушениях и сбоях, возникающих в процессе работы информационной системы; ведение информационной базы и накопление данных по сбоям, отказам и перезапускам систем; формирование и выдачу по запросу персонала документов, характеризующих качество функционирования системы.