Введение к работе
Актуальность темы. Интенсификация металлургических процессов, повышение качества получаемых продуктов, необходимость учета экономических показателей работы металлургического производства настоятельно требуют дальнейшего совершенствования систем технологических измерений, повышения достоверности и точности результатов измерений.
Нестационариосгь, нелинейность, распределенность свойств объектов измерения, нестабильность метрологических характеристик средств измерений в действующих системах управления, связанная с влиянием различных воздействий, неизбежных в условиях металлургического производства, приводит к большим погрешностям измерения.
Использование традиционных периодических поверок и испытаний автоматизированных систем технологических измерении (АС'ГИ), невысокий уровень автоматизации и механизации этих работ не обеспечивают требуемую точность измерения, оперативность и единообразие а проведении метрологической аттестации систем регистрации и обработки результатов. Назрела необходимость, и имеются методические основы для реального перехода от традиционного (статического) к динамическому метрологическому обеспечению систем автоматизация доменных, сталеплавильных и других агрегатов, ибо одним из наиболее узких местом в автоматизации этих объектов было и продолжает оставаться качество измерительной информации. "Однако этот переход сдерживается слабым методическим, алгоритмическим и техническим обеспечением процессов поверки, особенно в рабочих режимах эксплуатации систем автоматизации металлургических объектов.
В работе для решения поставленных задач предлагается новый класс многовариантных идентификационно-тестовых систем технологических измерений со встроенными метрологическими испытательными установками (МвИТИС с МИУ) или встроенными метрологическими блоками (МвИ-ТИС с ВМБ) с выделением для них достаточных ресурсов и тесным сопряжением их со всеми другими подсистемами АСУ ТІЇ, которые за счет оперативного определения реальных градуировочных характеристик измерительных преобразователей и систем при реализации специальных тестовых воздействий в действующих измерительных системах в рабочих режимах их функционирования позволяют обеспечить формирование требуемого количества и качества измерительной информации.
Целью настоящей работы является повышение достоверности и точности измерений основных технологических параметров металлургических процессов при использовании в производственных системах низкоточного и нестабильного измерительного оборудования, а также повышение гибкости и расишрешк функциональных возможностей систем технологических измерений в черной металлургии и других областях промышленности.
В соответствии с поставленной целью решаются задачи: 1. Разработка функционально-структурной организации автоматизиро-
ванных многовариантных идентификационно-тестовых систем технологи ческих измерений со встроенными метрологическими блоками и установ< ками.
-
Конкретизация, совершенствование и метрологический анализ традиционных тестовых и предлагаемого идентификационно-тестового методов измерения.
-
Создание и исследование многовариантных алгоритмов дельта-идентификации метрологических характеристик (MX) измерительных преобразователей и систем на базе тестовых (пробных) воздействий "в малом" в действующих производственных системах.
-
Разработка и применение пакетов прикладных программ помехоза-щшценной обработки динамических сигналов, определения скользящих статистических и метрологических характеристик.
-
Разработка и реализация учебно-исиытагельных многовариантных систем технологических измерений для освоения типовых задач промышленной метрологии.
-
Планирование и проведение специальных опытно-промышленных экспериментов с целью формирования базы натурных сигналов измерительной информации.
Основы выполнения работы. Теоретической основой разработки систем технологических измерений со встроенными метрологическими блоками являются методы нетрадиционной метрологической идентификации с нанесением пробных (тестовых) воздействий "в малом", тестовые методы повышения точности измерений и новые способы измерения с дельта-замещением рабочей средой образцовых мер "в малом", многовариантные фильтры иомехозащищенной обработки динамических сигналов измерительной информации для оперативной идентификации метрологических характеристик. Используются робастные процедуры многовыборочного (многовариантного) формирования и анализа натурных и полунатурных данных в условиях обычной эксплуатации средств измерений и ограниченного активного эксперимента.
К основам разработанных метрологических учебных и испытательных установок относятся: аппарат натурно-математического моделирования, многовариантное образное представление нестационарных рядов данных, многоканальный организационный механизм обучающей системы.
Научная новизна заключается в разработке:
-
новых нетрадиционных тестовых способов повышения точности технологических измерений в реальных условиях эксплуатации с оперативным накоплением информации о фактических градуировочных характеристиках измерительных преобразователей и систем;
-
нового метода дельта-идентификации с нанесением тестовых воздействий "в малом";
-
многовариантного алгоритмического обеспечения встроенных метрологических блоков;
-
алгоритмов формирования многовариантных оценок, их анализа, комилексирования и определения результирующей оценки измеряемой величины;
-
способов и алгоритмов настройки идентификационно-тестовых систем со встроенными метрологическими блоками.
Практическая; ценность и реализация результатов. Разработано и испытано комплексное обеспечение МвИТИС с ВМБ, включающее инженерные методики, базовые структуры, алгоритмы и компьютерные программы. Большое внимание уделено надлежащему обновлению учебно-исследовательского процесса в русле МвИТИС-направления. Осуществлена инженерная конкретизация встроенных метрологических блоков для аналоговых и аналого-цифровых систем измерения таких технологических параметров, как масса материалов и грузов, расход жидких и газообразных веществ,, температура, концентрация. Разработки сделаны применительно к измерению больших масс в статике, в системах дозирования шихтовых материалов и системах взвешивания в движении на автомобильных и железнодорожных весах.
Созданы новые способы и технические устройства автоматизации поверочно-настроечных работ измерительных систем в ходе их рабочего функционирования. Главное внимание уделено реализации тестовых воздействий физического (технологического) характера, и именно этот путь представляется важнейшим для коренного улучшения систем технологических измерений.
' Источниками эффективности практического использования предлагаемых разработок в русле МвИТИС являются:
-
возможность осуществления высокоточных измерений при наличии нестабильных рабочих средств измерения, в частности, низкоточных, с дрейфующей градуировочной характеристикой (ГХ), преобразователей;
-
снижение энерго-, материалоемкости поверочных механизмов и компактное их построение;
-
совмещение поверочных и рабочих измерений, уменьшение трудовых затрат на обслуживание измерительных систем и быстрое накопление достоверной информации об их фактических характеристиках.
Разработаны и поэтапно внедряются многовариангные автоматизированные учёбно-испытательные установки в лабораториях кафедр систем автоматизации, систем информатики и управлении, инженерных конструкций Сибирского государственного индустриального университета.
Эффективность разработок исследовалась па специально сконструированной учебно-испытательной установке "Доза", а также в режимах опытно-промышленных испытаний на ОЛО "КМК" и "ЗСМК" в системах взвешивания и дозирования материалов в доменных и электросталеплавильных цехах. Показано повышение точности измерения массы материала в составе системы порционного дозирования в 2-5 раз.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: конференции "Компьютеризация учебного процесса в техническом вузе" (Новокузнецк, 1994), Международной конференции "Измерение, контроль, автоматизация производственных процессов" (Барнаул, 1994), конференции "Метрология и автоматизация" (Новокузнецк, 1995), научно-технической конференции "Экологические проблемы крупного промышленного центра" (Новокузнецк, 1995), Международной конференции "Структурная перестройка металлургии" (Новокузнецк, 1996), Международной научно-практической конференции "Управление большими системами" (Москва, 1997), научно-технической конференции "Системы и средства автоматизации" (Новокузнецк, 1998), Международной научно-практической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии" (Новокузнецк, 1998), Международной научно-практической конференции "Методы и средства измерения в системах контроля и управления" (Пенза, 1999), юбилейной региональной научно-практической конференции "Перспективы автоматизации в образовании, науке и производстве" (Новокузнецк, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 статьи и 28 тезисов докладов, подготовлено 2 изобретения, 1 методическое пособие.
Объем рукописи. Диссертация состоит из введения, трех глав, за
ключения, приложения, списка литературы и содержит страниц ос
новного текста.
Предмет защиты и личный вклад автора. Предметом защиты служат многовариаитные алгоритмы идентификационно-тестовых методов измерений, конкретные обучающие, испытательные и рабочие системы многовариантных технологических измерений со встроенными метрологическими блоками и установками применительно к металлургическим объектам.
На защиту также вынесены методические основы и инженерные разработки по идентификационно-тестовым методам измерения с конкретизацией в виде пакетов прикладных программ (ППП) и устройств в системах автоматизации учебного, исследовательского и производственного назначения.
Основной вклад автора в эти разработки заключается в конкретизации принципиально нового направления многовариантных систем технологических измерений со встроенными метрологическими блоками, постановке и решении задач выбора, совершенствования и настройки методов и средств технологических измерений, а также разработке алгоритмов и пакетов прикладных программ идентификационно-тестовых измерений и автоматизированных учебно-испытательных установок и систем, проведении детальных исследований предлагаемых алгоритмов, связанных с обработкой (в частности многовариантным оцениванием) данных, полученных в результате проведения промышленных экспериментов и формирования базы сигналов измерительной информации (СИИ) таких технолоп-ічсских
процессов, как дозирование массы матерначов, взвешивание грузов, находящихся в статическом состоянии и в движении, транспортировка жидких и газообразных сред и других.
Исследования выполнены по Федеральной целевой программе «Интеграция», Единому заказ-наряду Минобразования РФ, а также по договорам содружества с ОАО «КМК» и «ЗСМК», и вузовской программе развития обучающих систем в рамках общего научно-прикладного направления «Вариантника».