НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Рассмотрены перспективные направления совершенствования АСУ сталеплавильными протесами. Алгоритмизация управления плавкой стали развивается на основе схемы двухступенчатого управления циклическими процессами,, базирующейся на классической концепции невозмущенновозмущенного движения. Эффективность автоматизации сталеплавильных процессов определяется глубокой интеграцией рабочих информационно управляющих функций с исследовательскими и тренажернообучающими функциями.Повышение качества металла, снижение металлоемкости изделий, освоение новых марок сталей и сплавов неразрывно связано с уровнем автоматизации сталеплавильного производства.
Низкая эффективность ряда функционирующих систем в сталеплавильных цехах России и стран СНГ, на наш взгляд, объясняется "жесткой” структурой их математического, информационного, технического обеспечения, отсутствием необходимых средств контроля, наличием лишь непосредственно рабочих контуров в системе управления.
Как показывают современные разработки и практический опыт, целесообразным представляется наличие двух контуров в системе автоматизации сталеплавильного производства: рабочего контура, непосредственно используемого при управлении технологическим процессом; контура исследовательского, обучающего, испытательноналадочного и других назначений, с применением методов робастной адаптации, человекомашинного взаимодействия.
Такой подход позволяет одновременно с рабочим управлением реализовать проведение исследовательских работ по изучению и отработке технологий, а также совершенствованию измерительных и регулирующих блоков, алгоритмического обеспечения, организационного механизма и т.п.
При этом дополнительные затраты на разработку, внедрение и эксплуатацию систем автоматизации с встроенными исследовательскими подсистемами быстро окупаются, поскольку дополнительная эффективность проявляется не только в рабочих показателях производства, но и в сокращении количества исследователей, уменьшении времени проведения исследований, повышении качества исследований и обучения, повышении эффективности самого производства.
Высказанные положения требуют определенной конкретизации. Традиционные подходы к управлению плавкой стали за счет простого совершенствования так называемых алгоритмов статического и динамического управления практически себя исчерпали. Например, рабочие контуры, на наш взгляд, целесообразно совершенствовать на основе схемы двухступенчатого управления циклическими процессами.
При алгоритмизации управления циклическими процессами мало внимания уделяется рассмотрению временных интервалов исполнения управляющих команд, соизмеримых с длительностью основных технологических циклов. Учет времени исполнения управляющих команд приводит к необходимости их упреждающей (прогнозирующей) выработки и доказывает невозможность управления только по текущим значениям выходных переменных. Поясним на примере конвертерного производства стали.
Своевременная подготовка и доставка лома и жидкого чугуна для каждого конкретного цикла выплавки стали требует затрат времени, превышающих длительность основного цикла процесса, связанного с продувкой металла кислородом. Поэтому управляющие команды в виде уставок на массу лома и чугуна должны выдаваться в момент, когда еще протекают предшествующие плавки. Аналогичное положение имеет место и по отношению к присадкам сьгпучих материалов — извести, руды, шпата, особенно в условиях непрерывно возрастающей интенсивности продувки металла с доведением длительности ее до 10—15 мин. В таких условиях операции дозирования требуемых масс сыпучих нужно осуществлять заблаговременно.
Контролируемым данным о текущих значениях выходных переменных технологических процессов циклического характера свойственны значительная погрешность и запаздывдание в их получении относительно необходимых моментов для выработки прогнозов и управлений. Кроме того, вполне возможно наличие искажающих помех, сбоев в контроле динамики выходных переменных, что может привести к полному нарушению работы контуров управления с обратными связями в течение, по крайней мере, отдельных циклов.
Потеря управления грозит крупными авариями, и требуются специальные меры по повышению надежности управляющих систем. Этого можно достичь, в частности, их иерархическим построением с самостоятельными контура 142 ми использования информации о предшествующих и текущем циклах процесса.
Необходимость упреждающей выработки части управляющих команд, большая неполнота текущего контроля и жесткие требования к надежности управленческих систем обусловили выбор излагаемого ниже пути алгоритмизации управления, который базируется на классической концепции невозмущенновозмущенного движения с четким выделением задач (подсистем) программного управления и корректирующего управления (в приращениях к программным режимам, приспосабливаемым для каждого цикла процесса).
Программное управление конвертерной плавкой явно или неявно заложено в большинстве алгоритмов так называемого статического управления. В целях преемственности терминологии и самого алгоритмического обеспечения введем понятие "программностатического управления", которое осуществляется по доступной информации, имеющейся до начала очередного цикла процесса, используя при этом фактические и прогнозируемые данные о его начальных и требуемых конечных условиях, а также о прошедших циклах процесса.
Если информационный массив при програм мностатическом управлении образовывать только из интегральных (суммарных, средних) за циклы величин управляющих воздействий и из данных о начальных и конечных условиях циклов процесса, то соответствующий алгоритм может быть сведен к известным или новым алгоритмам статического управления для вычисления интегральных величин. Другими словами, последние алгоритмы есть частные варианты математических структур адаптивного программностатического управления.
Корректирующее управление будем соотносить с той дополнительной информацией, которая характеризует фактические начальные и конечные значения и динамику контролируемых переменных текущего цикла процесса.
Соответствующая указанным представлениям двухступенчатая управляющая система применительно к конвертерной плавке стали близка к общей структуре системы управления, данной в фундаментальных работах по управлению полетом, но отличается от нее явным использованием в задаче программирования режимов, информации о предыстории циклов технологического процесса (а не только начальных и конечных условий программируемого цикла, как принято в большинстве методов теории оптимального управления); самостоятельным, использованием управляющих решений при выполнении подготовительных операций, требующих выдачи упреждающих команд; возможным использованием при корректирующем управлении нелинейных алгоритмов в функции от абсолютных значений динамики контролируемых переменных и ранее запрограммированных режимов.
Рассматриваемая структура двухступенчатого управления циклическими процессами, в частности конвертерной плавкой, хорошо согласуется с технологическим опытом и современными представлениями в области самовос производящих систем. Данный подход использован также для управления плавкой стали в мартеновских и электродуговых печах.
Конкретный вариант взаимоотношения между программностатическим и корректирующим управлениями рассмотрим на примере определения продуваемого кислорода для конвертерной плавки. При корректирующем управлении используем алгоритм обнаружения особой точки на кривой обезуглероживания, соответствующую тому, при котором происходит существенное изменение скорости его выгорания. Обнаружение этой точки предлагается осуществлять в следующей последовательности.
1. На основе программностатических расчетов находят момент подключения корректирующего алгоритма.2. Проводят структурный анализ первичных и расчетных данных о составе и температуре отходящих газов (возможно и скорости обезуглероживания) с целью определения особой точки. Алгоритм ее нахождения включает следующие операции: релейноэкспоненциаль ное сглаживание учитываемых переменных с двумя различными значениями коэффициента, находящимися в соотношении друг с другом примерно два к одному; определение разности двух соседних сглаженных значений для каждого из учитываемых параметров; расчетное исключение влияния управляющих воздействий; анализ на значимость и устойчивость скорректированных приращений путем сравнения с соответствующими пороговыми значениями на нескольких тактах; определение особой точки с помощью совокупности решающих правил на множестве анализируемых данных.
3. По обнаруженной особой точке оценивают соответствующее ей содержание углерода в ванне конвертера.
4. По косвенно оцененному углероду в ванне определяют недостающее количество кислорода, которое надо продуь до получения требуемого содержания углерода.
5. По программностатическому алгоритму определяют количество кислорода, которое надо продуть после обнаружения особой точки.
6. Рассчитывают средневзвешенное значение необходимого до конца продувки кислорода. С помощью этой операции учитывается неполнота как статической, так и динамической информации, а также реализуется возможность повышенйя точности управления за счет использования компромиссных решений.
7. Проводят расчетное определение содержания углерода в особой точке путем восстановления его значения после получения химического анализа металла на первой по валке конвертера с предыдущим автопрогнозом его по предыстории на предстоящий цикл.
Предлагаемое совместное применение названных алгоритмов соответствует многоалгоритмическому подходу, рассматриваемому в ряде работ. Такое двухступенчатое управление циклическими процессами отличается, например, от известных форм объединения статического и динамического управления конвертерной плавкой, когда при выборе управлений по динамической информации не учитываются в явном виде результаты предшествующих статических расчетов.
Использование описанной процедуры позволяет повысить примерно на 10% число плавок с первой повалки по сравнению с раздельным использованием как программностатического алгоритма, так и алгоритма с косвенной оценкой содержания углерода по особым точкам на кривых состава и температуры отходящих газов.
Эффективность АСУ сталеплавильного производства существенно повышается за счет глубокой интеграции рабочих информационно управляющих функций с исследовательскими и тренажернообучающими функциями (подсистемами). Такого рода подсистемы целесообразно называть встроенными системами (ВС). Такие гибкие, с глубокой интеграцией АСУ ТП, в сравнении с традиционными представляются более результативными в расчете на конечный эффект, достигаемый за счет их многоцелевой эксплуатации. Под конечным эффектом, например в применении к конвертерному процессу, будем понимать сокращение числа плавок, выпускаемых с исправлениями (традиционные показатели) и повышение выхода годного металла (за счет снижения угара и брака металла), сокращения расхода ферросплавов (за счет снижения окисленности металла), повышение срока службы футеровки конвертеров и т.п. ВС в составе АСУ ТП может быть достаточно много. Остановимся далее лишь на одной из них. Важную роль играет встроенная тренажернообучающая система (ВТОС), которая позволяет обучать как основной персонал, так и студентов вузов и техникумов, учащихся профтехобразования, курсов повышения квалификации и переподготовки кадров, например, в паузах циклических процессов или в отдельные технологические периоды. Для сталеплавильных циклических процессов характерна поочередная работа агрегатов (например, один конвертер в работе, второй в резерве). Кроме того, могут быть отдельные периоды технологического процесса (например, торкретирование футеровки), когда пульт управления конвертера, ЭВМ и другое оборудование может быть использовано в режиме обучения, а сама операция торкретирования выполняется с отдельного пульта управления. В период загрузки конвертера также осуществляется переход на специальный пульт или отдельную секцию пульта управления. Отметим, что одной из важнейших функций ВТОС является обучение шихтовке сталеплавильных процессов, т.к. продувка металла в конвертере и расплавление металла в электропечи идут быстро и времени для расчета шихты у технологического персонала недостаточно, особенно в условиях существенной неполноты информации.
При таком подходе традиционные (автономные) тренажеры могут использоваться, как и ранее в виде специальных изделий и устанавливаться в отдельных помещениях для предварительного обучения вновь принимаемых рабочих студентов и т.п. Практическая реализация ВТОС требует лишь некоторого дополнительного количества модулей, технического и программного обеспечения в составе рабочей
АСУ ТП. Дополнение рабочих систем новыми специализированными модулями позволяет реализовать встроенные автоматизированнные системы технологических исследований (АСТИ), встроенные САПР и др. АСТИ позволяют значительно повысить эффективность работы заводских и институтских исследовательских подразделений, ускорить освоение технологии во вновь вводимых цехах и выплавку новых марок сталей в действующих цехах.
Совершенствование алгоритмов АСУ выплавкой стали целесообразно осуществлять на основе схемы двухступенчатого управления циклическими процессами. Перспективным направлением совершенствования АСУ ТП сталеплавильных цехов является глубокая интеграция рабочей системы автоматики с встроенными системами учебного, научного и проектного назначений.
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м I, Москва 1994
