Введение к работе
Актуальность работы. Среди большого разнообразия электротермических установок, широко применяющихся в различных отраслях промышленности для получения ферросплавов, стали и других продуктов, особое место занимают рудно-термические и сталеплавильные электродуговые печи переменного тока (ЭДП). Из-за нехватки информации о текущем внутреннем состоянии ЭДП, качество управления электроэнергетическими процессами (ЭЭП) является невысоким. Для достижений целей управления оператором используется информация о действующих значениях рабочих токов и напряжений печи, получаемая с щитовых приборов. Оператору необходимо одновременно контролировать показания целого ряда приборов, осуществлять оценку текущего состояния процесса и реализовывать управляющие воздействия (перемещение электродов и переключение ступеней питающего трансформатора) в соответствии с полученной информацией. При этом не могут быть даны четкие инструкции, которые указывали бы однозначные решения в зависимости от множества реальных ситуаций. Поэтому технико-экономические показатели производственных процессов в ЭДП имеют значительный разброс и во многом определяются опытом и искусством оператора.
Решением существующей проблемы управления ЭДП может служить создание информационной системы, осуществляющей автоматизированный оперативный контроль и визуализацию недоступных параметров и переменных электроэнергетического режима, позволяющей без вмешательства в технологический процесс, в режиме нормальной эксплуатации, проводить текущую оценку полезной мощности каждого электрода, идентификацию внутренних электроэнергетических параметров зон токопроводящей среды печи, определение величины и распределения мощности по зонам.
Сложность получения текущей информации о преобразовании и распределении энергии в ванне ЭДП обусловлена высокой температурой и агрессивной средой в зонах плавления, невозможностью прямого измерения электроэнергетических параметров подэлектродных зон, взаимными связями между электродами. Существующие методы и системы контроля трудно реализуемы в результате сложности моделей электродуговых печей, или основаны на существенных допущениях, что снижает точность и достоверность результатов. Чаще всего они позволяют получать информацию только о внешних интегральных энергетических параметрах, что не достаточно.
Одним из путей для реализации оперативного контроля за преобразованием энергии в подэлектродных зонах, их параметрами и характеристиками является идентификация моделей электроэнергетических процессов в электропечах в режиме нормальной эксплуатации, представляемых в виде схем замещения, схемных моделей токопроводящей среды по измеряемым внешним сигналам рабочих токов и напряжений.
Распределение тока в ванне электропечи определяется электрическим сопротивлением подэлектродных зон. Оценка распределения мощности по зонам возможна на основе расчета растекания тока по зонам дуги и шихты, распределения напряжения между дуговым разрядом и расплавом. Для решения этой задачи в работе применяются схемные модели в физических параметрах, когда каждая зона токопроводящей среды представлена как отдельный элемент цепи электрода со своими электрическими параметрами и характеристиками. Реализация информационной системы на базе современной ЭВМ позволяет представлять информацию о текущем состоянии ЭДП в удобном для оператора виде или же перейти на качественно новый уровень автоматического управления.
Решение этой задачи проводится в настоящей работе путем разработки и декомпозиции нелинейных схемных моделей токопроводящей среды печи в физических параметрах на основе нелинейных и динамических свойств электрической дуги.
Исследования, проводимые по теме диссертации, выполнялись в соответствии с планами НИР кафедры автоматики и телемеханики ТулГУ.
Объектом исследования являются электроэнергетические процессы, параметры и характеристики недоступных для непосредственного контроля зон токопроводящей среды электродуговых печей.
Предметом исследования являются нелинейные схемные модели, методы и алгоритмы оперативного контроля электроэнергетических процессов в режиме нормальной эксплуатации по внешним периодическим сигналам рабочего тока и напряжения.
Целью работы является повышение эффективности методов и средств автоматизации оперативного контроля недоступных для прямого измерения электроэнергетических параметров и переменных зон токопроводящей среды электропечей по внешним сигналам рабочего тока и напряжения на основе декомпозиции нелинейных схемных моделей ЭЭП в физических параметрах.
Выдвигаемая гипотеза исследований: существующие методы и алгоритмы оперативного контроля ЭЭП могут быть упрощены, повышена их точность и эффективность при определении неизвестных параметров и физических характеристик зон подэлектродного пространства печей путем декомпозиции нелинейных схемных моделей токопроводящей среды используя нелинейные и динамические свойства электрической дуги.
В работе ставятся и решаются следующие задачи исследования:
-
Анализ методов и средств автоматизации оперативного контроля внутренних, недоступных для непосредственного контроля, электроэнергетических процессов при управлении дуговыми печами на основе схемных моделей;
-
Построение и декомпозиция для целей контроля нелинейных схемных моделей электроэнергетических процессов в физических параметрах, отражающих внутреннюю зонную структуру токопроводящей среды, параметры подэлектродных зон, нелинейные и динамические свойства электрической дуги;
-
Разработка методов получения информации о преобразовании энергии и электроэнергетических параметрах недоступных для наблюдения зон токопроводящей среды ЭДП в процессе нормальной работы на основе особенностей нелинейных и динамических свойств электрической дуги переменного тока;
-
Разработка и исследование алгоритмов определения электроэнергетических параметров зон токопроводящей среды ЭДП с помощью идентификации схемных моделей в физических параметрах на основе декомпозиции по внешним сигналам рабочего тока и напряжения;
-
Создание, практическая реализация, экспериментальные исследования и применение в промышленности информационной системы автоматизированного контроля внутренних электроэнергетических процессов и исследования электроэнергетических параметров ЭДП в режиме нормальной эксплуатации.
Методы исследования. В работе использовались методы построения и идентификации моделей технических объектов, теории автоматического управления, теории нелинейных цепей, теории матриц. Исследование методов и систем оперативного контроля проводилось на основе цифрового компьютерного моделирования, применения SCADA систем, на опытных установках и промышленных объектах.
Наиболее существенные научные результаты, полученные лично соискателем:
-
Декомпозиция нелинейных схемных моделей ЭЭП путем построения линейно параметризованных подмоделей токопроводящей среды в физических параметрах для интервалов времени наличия и отсутствия электрической дуги на периоде напряжения питающей цепи.
-
Разработанные на основе декомпозиции одномерные и многомерные нелинейные схемные модели ЭЭП многоэлектродных ЭДП, отражающие электроэнергетические параметры подэлектродных зон: мощности, выделяемые в электрической дуге, шихте и расплаве.
-
Методы и алгоритмы идентификации линейно параметризованных моделей токопроводящей среды по внешним сигналам рабочего тока и напряжения, полученные в результате декомпозиции, не требующие аппроксимации и представления нелинейных характеристик моделей в определенном базисе и позволяющие получить результат аналитически.
-
Методика автоматизированного получения текущей информации на основе декомпозиции о мощностях, токах и напряжениях в зонах дуги, шихты и расплава на основе цифровой обработки рабочих сигналов в режиме реального времени.
Оценка достоверности и новизны научных результатов. Установлена однозначная взаимосвязь между нелинейными схемными моделями, описывающими проявления во времени нелинейных свойств ЭЭП на основе анализа вольтамперной характеристики электрической дуги и линейно параметризованными подмоделями ЭЭП, описывающими процесс на интервалах времени наличия и отсутствия дуги, позволяющая идентифицировать процесс в виде решения системы линейных уравнений.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждена компьютерным моделированием, экспериментальными исследованиями, опытно-промышленными испытаниями, сравнительным анализом и практической реализацией разработанных методов и систем.
Отличие результатов работы от работ других авторов. Разработанные методы и алгоритмы идентификации производственных ЭЭП на основе декомпозиции нелинейных схемных моделей, в отличии от работ аспирантов Петрусевича А.А. и Митяева П.А., не требуют аппроксимации и представления нелинейных характеристик в определенном базисе. Они позволяют определять неизвестные параметры на основе решения линейных систем уравнений, что значительно упрощает решение задачи и сокращает вычислительные затраты.
Значение работы для теории и практики. Разработаны теоретические основы нового подхода к построению нелинейных схемных моделей и методов идентификации производственных ЭЭП, на основе декомпозиции для интервалов времени наличия и отсутствия электрической дуги. Разработаны инженерная методика и алгоритмы идентификации недоступных для непосредственного измерения электроэнергетических параметров печей, позволяющие определять активные и реактивные мощности, сопротивления и ВАХ подэлектродных зон (дуги, расплава, шихты), которые не могут быть получены штатными приборами.
Рекомендации об использовании результатов диссертационного исследования. Предложенные в диссертации методы идентификации нелинейных схемных моделей и разработанная на их основе информационная система контроля внутренних параметров и переменных электроэнергетических процессов в ЭДП прошли опытно-промышленные исследования на экспериментальных данных конкретных технологических процессов ОАО «Ванадий-Тула». Разработанные в диссертации методы и средства могут быть использованы при разработке систем управления ЭДП.
Применение в системах управления ЭДП разработанных методов, алгоритмов и систем контроля, дающих новую, необходимую для управления информацию о внутренних электроэнергетических параметрах, о степени развития и мощности электрической дуги, шихты и расплава, позволяет управлять ранее неконтролируемыми переменными, что повышает эффективность преобразования электроэнергии и технологических процессов в электродуговых печах.
Разработанные методы и средства используются в учебном процессе на кафедре автоматики и телемеханики ТулГУ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на VII Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO '08, Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в моделировании, управлении и анализе данных» ИНТЕМ – 2005, Всероссийской научно-практической конференции “Системы управление электротехническими объектами”, XVII Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" ММТТ-17, XVIII Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" ММТТ-18, XIX Международной научной конференции “Математические методы в технике и технологиях” ММТТ-19, XX Международной научной конференции “Математические методы в технике и технологиях” - ММТТ-20, XXI Международной научной конференции “Математические методы в технике и технологиях” - ММТТ-21.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ. Из них 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов по результатам исследований, библиографического списка из 155 наименований. Основная часть работы изложена на 164 страницах. Работа содержит 78 рисунков.
