КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Здесь автоматизация дает преимущества по протоколированию, созданию базы данных по обеспечению требуемого уровня готовности оборудования с помощью средств диагностики и прогнозируемого профилактического технического обслуживания и ремонтов.

Вовторых, современное управление прозводством обязано исключать какиелибо случайности и подразумевает производство реализуемых в продаже изделий, точно соответствующих требованиям рынка. Поэтому обеспеченное качество является базой воспроизводимости как для непрерывного производства, так и для разработки новых изделий. При этом изделия высшего качества требуют сертификаты, формируемые в рамках регистрации технологических и производственных параметров. Автоматизация и в этом случае является необходимой.

Втретьих, свой вклад в произвоительность вносят ресурсы, которые подразделяются на расходы, сырье и затраты на техническое обслуживание. Оптимизация при автоматизации снижает рсходы сырьевых материалов, а расходы на энергию и хранение сокращаются за счет управления потоками материалов. Техническое обслуживание и ремонт поддерживаются и оптимизируются диагностическими

функциями. Аспект, касающийся персонала, невовзможно даже оценить количественно. Здесь можно только сказать, что комплексная автоматизация производственных процессов разгружает обслуживающий персонал от рутинных работ, в результате чего он может сосредоточиться на задачахх контроля и принятия решений и тем самым избежать возникновения ошибок и их дорогостоящих последствий.

2. Структура автоматизации

Структура автоматизированной системы сталеплавильного завода приведена на рис. 2. Зона завода начинается с материальных запасов хранения скрапа, бункеров железа прямого восстановления (ЖПВ), а также бункеров для легирующих средств и добавок. После плавки в электропечах (ЭДП) жидкий металл проходит внепечную обработку литья на установке непрерывной разливки (УНРС). Зона завода заканчивается складом плоских заготовок (СЗ) или выдачей ленты в печи сквозного нагрева.

Современная децентрализованная система автоматизации обычно имеет иерархическую трехуровневую структуру, Нижний (уровень 1)— это базовая автоматика. В ней сбор измеренных данных и управление приводными механизмами реализуются посредством программируемых устройств управления (ПУУ). В процессе управления участвуют сигналы в форме цифровых или аналоговых значений.

Рис. 2. Структура децентрализованной системы автоматизации сталеплавильного завода

Средний (уровень 2) — ответственен за автоматизацию процесса управления производством высокого уровня. Все единство процессов автоматизации визуализируется в режиме диалога обслуживающего персонала с системой. Система построена на математических моделях как средствах оптимизации. Вычисленные по ним заданные значения автоматически в нужный момент времени передаются на уровень 1. Уровень 3 снабжается фактическими значениями процесса через базовую автоматику и поставляет результаты производства и отчеты на уровень 3.

Верхний (уровень 3) — реализует процесс управления производством. В его задачи входит формирование производственных планов, полных последовательностей производства для всех единиц и реагирование на текущие производственные ситуации. Дополнительно уровень 3 представляет центральное администрирование и формирует отчет работы всего завода.

Обмен сообщениями между составными частями системы (ЭДП, УНРС, СЗ) и функциями атоматизациии. других агрегатов может подразделяться на статические и динамические зависимости.

Статические зависимости, например, в виде инструкции обработки марок сталей, в виде количества необходимых легирующих присадок для получения результатов заданного анализа жидкого металла ЭДП. При этом температура литья определяет температуру выдачи УНРС в случае, если не требуется учет времени ожидания, а начало литья определяет время выдачи УНРС.

Динамические зависимости получаются в темпе с фактическим состоянием процесса. Например, непредвиденное время ожидания (на СЗ) требует дополнительного повышения температуры в УНРС, временной сдвиг выдачи в УНРС для СЗ требует снижения скорости литья и т.д. Для контроля и определения таких зависимостей необходим высокопроизводительный автоматический обмен сообщениями, например, шина SINEC—Н1 на базе международных стандартов. Шина реализуется в виде триакси алъного кабеля или, если требуется обеспечение электромагнитной защиты, в виде стекловолоконного кабеля.

В делом уровни автоматизации должны отвечать следующим требованиям: надежность, готовность к работе, оебспечение технического обслуживания, способность к расширению, удобство для пользователя и устойчивость к ошибкам, оптимальное использование модульных аппаратных и программных средств, распределенной вычислительной мощности и стандартизированного обмена сообщениями на международной базе.

3. Цели автоматизаци производственных процессов

Общими целями автоматизации технологических и производственных процессов являются оптимальное обеспечение процесса автоматического задания номинальных значений, информация о движении потока материалов и последовательностях производства, разгрузка обслуживающего персонала от рутинных работ и ошибок. Сокращение времени регулирования достигается за счет подробных информационных сообщений о блокировках, охлаждении, пневмосистемах, стартовых данных для автоматического режима работы. Тем самым сразу же обнаруживаются неразрешенные со тояния, условия и причины их возникновения. Информационные сообщения, понятные для руководства и персонала, предоставляются на дисплеях, установленных в конторах и пультах управления. Диалоговая система имеет иерархическую структуру с режимом диалога действий операторов.

4. Электрическая дуговая печь

Цели автоматизации производственных процессов ЭДП.

На рис. 3 приведена схема системы контроля и управления электрической дуговой печи. Расплавление скрапа и загрузка окатышей (ЖПВ) по возможности должно быть минимально по затратам времени. Процесс плавления и загрузки окатышей может быть рассчитан с помощью моделей процесса по диаграммам плавления и измеренным параметрам плавки. При этом следует избегать бесполезные прерывания процесса плавки на взятие проб или измерения температуры металла. Расчеты

Рис. 3. Схема системы контроля и управления дуговой электрической печыо по моделям сокращают число таких прерываний и обеспечивают экономию времени и энергии. Критерий температуры для выпуска жидкого металла базируется на заданном качестве стали, фактическом состоянии ванны и(или) данных от установки непрерывной разливки. Готовность выпуска жидкого металла рассчитывается с учетом количества легирующих добавок. Качество скрапа и ЖПВ контролируется автоматикой путем сравнения результатов анализа и расчетными величинами, полученными по моделям из принятых значений качества скрапа. Отклонения от этих показателей сообщаются обслуживающему персоналу с рекомендацией предпринять соответствующие операции коррекции. Расход ЖПВокатышей учитывается с целью регистрации отклонений от необходимых значений содержания металла. Функции автоматизаци ЖПВ подразделяются на организационные, энергетические, металлургические и функции контроля оборудования.

Организационные функции не связаны напрямую с процессом, но они необходимы в качестве вспомогательных для оебспечения прохождения технологических функций. План производства содержит начальные данные для одной или нескольких плавок, которые выполняются вслед за текущей плавкой. Инструкция по загрузке скрапа формируется на базе плана прозводства и заранее пересылается в место хранения скрапа с целью своевременной подачи тележек. Фактические данные о загруженных тележкаха накапливаются в процессе отслеживания за скрапом и имеются в распоряжении при его подаче. Отслеживание за плавкой обеспечивает сбор всех важных данных во время формирования одной партии плавки и делает их доступными для других участвующих в процессе агрегатов, для отчетов и информации по принятию управляющих решений. Система принятия управляющих решений принимает результаты анализа из лаборатории, запоминает и передает их в соответствующую систему (электропечь, внепечную установку, установку непрерывной разливки).?

Энергетический баланс учитывает все составляющие энергии, влияющие на эффективность плавления и температуру расплавленной стали: электрическая, химическая за счет вдувания кислорода и энергия горелок, потери энергии как измеряемые (от охлаждающей воды), так и неизмеряемые (например, излучение, которое считается зависящим от времени включения). Фактический энергоресурс печи рассчитывается на базе баланса по отдельным потокам энергий, которые поступают в электропечь или теряются. Температура ванны с жидким металлом непрерывно рассчитывается по модели на базе энергетического баланса. Расчет начинается с жидкой фазы, если скрап уже расплавлен. Текущее расчетное значение заменяется и устанавливается на измеренную величину температуры. Управ ление подводом энергии — это главным образом управление электрической энергией в печи, что обеспечивает желаемое состояние плавки в кратчайшее время и при минимальной энергии. Управление плавкой происходит посредством инструкций в цикле работы. Существуют несколько диаграмм цикла работы, например для различных марок стали и различных сортов материалов. На рис. 4 приведен пример диаграммы цикла работы, содержащей данные о подведении энергии, о горелках, установке электродов и о других управляющих воздействиях в отдельных фрагментах процесса.

В материальном балансе суммируются все загружаемые в печь материалы. Каждый материал оценивается по его коэффициенту использования для металлургического процесса. Результаты баланса используются для расчета обшей массы жидкого металла в печи и для масс каждого элемента, а также для анализа. Масса каждой загружаемой тележки со скрапом добавляется к общей массе расплава. При загрузке легирующих также происходит умножение на соответствующий коэффициент использования и суммирование с общей массой расплава. Если после выпуска жидких расплавов в печи остается жидкий остаток, то он переводится со своими массовыми долями в следующий расплав. Легирующие также загружаются с учетом их коэффициентов использования. Воздействие пузырьков кислорода на расплав определено математически, а количество кислорода для окисления углерода рассчитывается. По фактической массе металла учитываются также доли других отдельных элементов. Такой расчетный анализ постоянно имеется в распоряжении оператора. Легирующие обычно добавляются во время выпуска жидкого металла в ковш. Расчет необходимых добавок легирующих происходит на базе расчетного анализа или, в случае своевременного предоставления, на базе анализа фактического состояния до выпуска жидкого металла. Обезуглероживание считывается с учетом необходимого количества кислорода дутья с целью снижения содержания углерода с фактического значения до требуемой величины. Расчет основан на анализе заданного качества стали.

При обессеривании (рис. 5) вычисляется количество обессеривающих добавок, которые должны примешиваться при выпуске жидкого металла в ковш, а затем при промывке чаши содержание серы доводится до необходимого фактического значения.

Оборудование контроля нагрузки обеспечивает оптимальное использование составляющих энергии путем управления действиями потребителей (рис. 6). Оборудование контроля нагрузки не связано напрямую с печью. Тем не менее поскольку электропечи на сталеплавильных заводах являются самыми крупными потребителями энегии, то эта функция присвоена им. Расчеты оборудования контроля нагрузки (рис. 7) определяют циклически время tx. Оно устаналивает момент времени отключения потребителя с наименьшим приоритетом. При малом потреблении рассчитывается время t2 до необходимого момента подключения имеющейся энергии. Расчет отключения времени tx учитывает фактическую полную мощность и фактическую потребность в мощности потребителя с низким приоритетом. Фактическая полная мощность рассчитывается через ожидаемое увеличение мощности (f* )•

Мощность после отключения потребителя с низшим приоритетом обозначается Р^. Результатом расчета является ожидаемый момент отключения Tv Обычно фактический момент отключения сдвигается назад, поскольку фактическая полная мощность меньше, чем Р max

В таком случае расчет момента подключения учитывает (соответственно расчету отключения) минимально ожидаемую мощность Р . и ПИП Р (которая впоследствии представляет ожидаемую мощность) после подключения потребителя с наивысшим приоритетом.

5. Вторичная металлургия

Рассмотрены функции управления внепечной установкой для электропечи. Главными задачами являются перспективный расчет и задание температуры. Такой расчет учитывает момент начала обработки, температуру, продолжительность транспортировки и время ожидания (рис. 8). Контроль за обработкой учитывает минимальную ее продолжительность. Целевой анализ в рамках модели по причинам, объясняемым особенностями металлургии, может быть реализован через два промежуточных анализа для выбора легирующих с ориентацией на минимум затрат. При автоматизации следует учитывать подверженные изменениям условия, а именно, свойства материалов или изменения ситуации на установке непрерывной разливки. Это сокращает расход энергиии и материалов и оптимизирует пропускную способность.

6. Установка непрерывной разливки стали

Цели автоматизации производственного процесса УНРС включают сокращение времени разливки; наличие детальной информации для выполнения процесса; контроль за охлаждающей водой, пневмосистемой и блокировками; проверку пусковых данных для автоматического режима работы с целью своевременного распознавания нарушения условий и их причин; повышение коэффициента полезного использования. Функции системы автоматизации должны решать следующие задачи управления процессами: подготовку к разливке, сбор фактических данных, оптимизацию процесса, отслеживание за движением материалов, контроль качества (рис. 9).

Процессы подготовки к разливке включают испытание в холодном состоянии; проверку в процессе разливки, условия и блокировки подготовки к разливке.

Фактическое значение всех измеренных величин и сигналов откладываются в памяти ЭВМ в качестве фактического отоброжения процесса. Данные необходимы для информирования оператора в режиме диалога о текущей ситуации, а частично также в качестве входных данных для оптимизации процесса.

Функцией оптимизации процесса является скорость разливки, имеющая важное значение для качества плоской заготовки (блюма, прокатной заготовки). Задача функции задания скорости включает определение при данных граничных условиях наилучшей скорости разливки. Приводимые далее требования должны учитывать при этом установку оптимальной скорости разливки при оптимальных температуре и массе; согласование скорости разливки при отклонении температуры или массы от оптимального значения; компенсацию задержек в процессе работы путем изменения скорости разливки без учета оптимального значения. Определенную таким образом скорость литья следует рассматривать как рекомендацию. Она задается либо автоматически, либо обслуживающим персоналом.

Качество литой заготовки в значительной мере зависит от вторичного охлаждения при кристаллизации. На этой основе для каждой зоны происходит циклический расчет заданных значений расхода хладагента. На процесс кристаллизации оказывает влияние управляющее воздействие системы вторичного охлаждения на охлаждение поверхности прутка. Инструкции по охлаждению входят в параметры разливки, зависящие от марок стали. Решение предусматривает определенное распределение заданий между функцией охлаждения слитка и автоматической системой измерений и регулирования. Эти задания распределяют таким образом, что даже в случае обнаруженных повреждений еще удается поддержать аварийный режим. Выдача заданий в автоматическую систему измерения и регулирования происходит двумя ступенями.

1. Для каждого контура регулирования расхода воды задается кривая зависимости ее расхода от скорости разливки.

2. На основе предыстории охлаждения, которому уже подвергался слиток, циклически рассчитывается и задается номиналаьное значение количества воды на каждую зону спре ерного охлаждения.

Функция "охлаждение слитка" пересчитывает установленное номинальное значение количества воды в "потенциально возможную скорость разлива" и выдает ее в систему изме 166 рения и регулирования. Система контролирует циклическую подачу потенциально возможной скорости разлива и проводит переключение обратно на ступень 1 в случае возникновения нарушений. "Модель" ступени 2 определяет для каждого отрезка литой заготовки состояние охлаждения на основе объемов воды, распыленных дс этого. В результате определяется оптимальное значение расхода для каждой зоны охлаждения.

При задании по резке вначале учитывают длины производственных заданий. На втором этапе эта функция оптимизируется по остающейся длине.

Посредством разделки оставшейся длины достигается возможность максимальной порезки длины. Задания по разделке остаточных длин подразделяются на две функции: целенаправленный останов ручьев УНРС в конце последовательности ручьев и свободная от остатков разделка ручьев.

В случае установок непрерывной разливки с двумя или тремя ручьями все линии разливки прутков останавливают так, чтобы на последней линии могли нарезаться представленные в задании длины, относящиеся к этому последнему расплаву. Задача функции "останов ручьев" заключается в том, чтобы предоставить обслуживающему персоналу информацию, позволяющую целенаправленный останов ручьев УНРС.

При определенных обстоятельствах, возникающих в процессе разливки, необходимо сделать разрез в конкретном месте ручья, даже если приходится отходить от заданных рабочих длин. Такими обстоятельствами являются конец разливки, место разделения расплава, замена ковша и изменение ручья. Задача функции "разделка ручья" заключается в расчленении согласно заданным указаниям предназначенного для разделки куска ручья до наступления события. Следует нарезать максимально возможное количество длин, отвечающих заданию, но при этом необходимо, чтобы в виде отхода оставалось как можно меньше непригодных.

Непосредственно разливаемый и последующий заявленный расплавы известны системе автоматизации. Момент перехода к следующему контролируется, данные правильно назначаются по расплавам. Место разделения отслеживается внутри литьевой пашины. Номинальные значения задаются в установленном временном порядке в зависимости от перехода к плавке. Время остаточного литья рассчитывается для непосредственно отливаемого расплава. Это время может использоваться с целью удлинения или укорочения фазы процесса разливки.

Отслеживание за слитком учитывает такие события, как начало (конец) литья, переходк плавке и окончание разливки. Слиток разделяется на мерные отрезки. Каждый отрезок отслеживается в машине. В результате измеренные значения и события присваиваются отрезком, на которые эти измерения величины и события оказывали воздействия. Отслеживание за уже нарезанными слябами происходит по меньшей мере до маркировочной машины с целью нанесения правильного номера. При запросе на выдачу показателей маркировки формируется правильная информация с учетом зоны перехода плавки, места резки, числа уже нарезанных слябов и номера прутка.

Автоматизированный контроль качества (рис. 10) является важным инструментом для персонала, обслуживающего установку непрерывной разливки. Однако реализованный в системе ведения процесса контроль качества не может полностью заменить проверку слябов, блюмов и, заготовок в горячем или холодном состоянии. Одновременная оценка качества поерхности, качества внутренней структуры и степени чистоты позволяют судить о дальнейшей обработке, например, об использовании нагрева, инспектировании, огневой зачистке, градации на классы по качеству и отходам. Создаются возможности для оптимизации, для проведения изменений и оптимизации схемы раскроя, а по результатам распознавания видов ошибок осуществлять обратную связь по параметрам оборудования и устранять возникающие нарушения.

Функции контроля качества могут быть подразделены на три области: сбор данных для обеспечения контроля за качеством, определение недостатков в качестве и распознавание возможных недостатков в качестве.

Задача функции "сбор данных для обеспечения контроля за качеством" состоит в регистрации измеренных значений и результатов в отношении порезки слитков. Имеющаяся информация необходима для оценки качества. События, сбор которых невозможен в автоматическом режиме, должны своевременно вводиться в режиме обслуживания.

Цель функции "определение недостатков в качестве" состоит в определении по зарегистрированным измеренным значениям и событиям возможных качественных недостатков. Оценки проводятся при переходе за предельные значения измеренных значений и событий.

Задача функции "распознавание возможных недостатков в качестве" заключается в оценке зарегистрированных измеренных значений и событий. Суждение о возможном недостатке в качестве получается путем сравнения значений с допустимыми границами для данных вероятностей. При наличии нарушения предельного значения предполагается, что качественный недостаток скрывается в части слитка.

Долговременные оценки всех относящихся к качеству данных являются базой для надежного статистического прогноза. Точная установка модели качества является долговременной задачей. Дополнительно к знаниям экспертов в области металлургии процесса и к присущим оборудованию воздействиям на качество, точно также важно записывать в систему данные последующей обработки и проверки.

7. Система управления щхшзводством

Как уже упоминалось ранее, система управления производством представляет верхний уровень 3 в иерархии автоматизации. При специальной организации и соответствующем потоке данных оборудования использование стандартизированных решений затруднено. Поэтому тем важнее использовать стандартные инстру менты, которые легко подгоняются под индивидуальные требования оборудования. С учетом этого фирма Сименс разработала "GSS—Graphic Scheduling Station". Эта идея о сокращении информационного потока до важных данных (графическом представлении) — графически отбираемых объектах и о рабочей станции, ориентированной на интерактивную графику.

Резюмируя, можно сказать, что функциями GSS являются автоматическая генерация производственных планов с правилами отбора; автоматическая проверка технологических средних параметров с цветовой маркировкой критических результатов; вмешательство вручную в производственный план для выполнения специфических граничных условий и требований.

Результаты планирования представляются на экране различными способами визуализации, в распечатанном виде или при нажатии на кнопку и направляются далее в процесс. GSS мо жет работать как независимая рабочая станция планирования, либо увязываться в качестве определенной части на уровне 3, либо являться интегральной составной частью другого уровне автоматизации

8. Структура системы

Опыт показывает, что для целей автоматизации в промышленности все более находят применение "открытые системы". Международные стандарты позволяют объединять аппаратные и программные средства в комплексные системы автоматизации. Несмотря на это остаются работы по интеграции. Фирма "Сименс" уделяет наибольшее внимание интеграции UNIX, а также их промышленному применению.

Концепция "Siemens industrial integrated UNIXSystem" (Siix) отвечает всем специальным свойствам испытанных в промышленном применении систем автоматизации. Ядром аппаратных средств явлляется Siixсервер (в качестве рабочей станции) и Siixтерминал в качестве станции обслуживания.

На рис. 11 представлена типичная конфигурация системы автоматизации сталеплавильного завода с двумя электропечами и одной внепечной установкой. Обмен сообщениями осуществляется через шину SINEC—Н1. Станции обслуживания, подключенные к шине, соединены со всеми компьютерами с поверхностью обслуживания XWindows.

Реализованное программное обеспечение пользователя базируется на стандартных пакетах с операционной системой UNIX, Data Views для визуализации и ORACLE в качестве банка данных.

9. Нечеткая логика и нейтронные сети

В отношении систем и инструминтов автоматизации фирма Сименс хотела бы также обратить внимание на применение новейшей технологии при проектировании и конструировании, а именно на нечеткую логику и нейронные сети (рис. 12). В настоящее время эти технологии дают возможность довольно просто проводить автоматизацию нелинейных и комплексных ситуаций, которые обычно трудно реализуемы математическим путем. Комбинация обоих методов обеспечивает гибкость для будущих применений. Фирма Сименс разработала не только системы управления на базе нечеткой логики и нейронных сетей, но и нашла применение этим методам в различных технических областях.

Например, для SIMATICS5 поставляется стандартный модуль реализации систем управления на базе нечеткой логики, поностью оснащенной соответствующим инструментарием.

Опробованы на практике разработки в этой области для металлургической промышленности: модель прокатки для широкополосовых прокатных станов; регулировка натяжения, толщины и ровности. Нейронные сети находят применение также для определения неизмеряе мых величин и параметров процессов специально при производстве стали и непрерывной разливке. Полученные результаты оказывают помощь в совершенствовании обычных систем управления, а в экспертных системах с искусственным интеллектом помощь обслуживающему персоналу.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м I, Москва 1994