Введение к работе
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 научно-технической 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,
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:
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;
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»;
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 научно-обоснованные технологические параметры и критерии для оптимизации энергетических и тепловых режимов переработки исходного сырья в ДСП и оптимизации процессов внепеч-ной доводки стали в агрегате печь-ковш (АПК) и циркуляционного рафинирования;
создать базовые принципы синтеза корпоративных автоматических систем оптимального управления технологическими процессами в мощных ДСП переменного тока и циркуляционного вакуумирования стали;
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.
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:
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;
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;
- 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 по
токе 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 %);
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;
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 %;
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;
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;
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;
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
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;
доказана высокая эффективность использования синтезированной универсальной двухкон-турной 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;
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;
- разработанные, теоретически и экспериментально обоснованные два новых метода по
строения САУ температурным режимом жидкой стали в мощных электродуговых АПК, при
чем:
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;
второй метод основан на самонастройке жестко заданных программных параметров
процесса внепечной доводки стали, при одновременной адаптации экстремальных характе
ристик 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 мощ
ной электродуговой АПК, для которой теоретически получены функционалы критериев
управления и оценки эффективности, а также функции переключения ступеней печно
го трансформатора по прямым непрерывным тепловизорным измерениям температу
ры жидкой стали и остаточной толщины огнеупорной футеровки ДСП в зоне электро-
дуг 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.);
- результаты испытаний и реализации обоих методов подтвердившие:
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;
второй метод обеспечивает: безопасность и высокое быстродействие; непрерывное измерение и управление температуры жидкой стали с точностью ±8,5 С; снижение тепловых потерь на 5...8%, удельных затрат электроэнергии на 3...4%, увеличение производительности АПК на 1,5.. .2% 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-
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 % аба, 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 неразрушаю-щий контроль (тепловизионный) эксплуатационного состояния металлургического оборудования». Акты - в Приложениях.
Апробация работы. Основные положения и выводы обсуждались на:
11-ти международных конференциях и симпозиумах;
6-ти 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 28 августа 2003 г., утвердившим «Энергетическую стратегию России на период до 2020 года».
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.
Личный 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.
