Лекция 5.3. Реализация современных автоматизированных систем управления сложными, энергонасыщенными технологическими комплексами в металлургии (на примере доменной плавки)
Доменная печь как управляемая технологическая система. Автоматизированная информационных систем технического обслуживания и управления доменной плавки. Распределенная подсистема сигнализации, контроля и локального управления. Агрегатная подсистема. Диспетчерская подсистема технологического персонала доменной печи. Диспетчерская подсистема доменного цеха (АРМ диспетчера цеха). Инженерная подсистема. Подсистема администрирования и управления информационной системой. Пример реализации АСУ ТП доменной плавкой (на примере ОАО «ММК»).
Доменная печь как управляемая технологическая система
Конечной целью разработок информационных систем, и систем управления комплексом доменных печей (цехом) в частности, является создание системы управления, которая обеспечивает нормальную работу производства в целом при минимальной себестоимости продукции с учетом ограничений, обусловленных требованиями технологии и возможностями оборудования.
При анализе работы доменной печи ее следует рассматривать как управляемую технологическую систему. Упрощено комплекс доменной печи может быть представлен схемой, приведенной на рис. 5.6.
Заметим, что при анализе любого технологического процесса можно выделить три основные группы переменных:
режимные параметры, отражающие средние значения контролируемых входных воздействий при установившемся состоянии технологического процесса (V, U);
средние значения количественных и качественных показателей технологического процесса (Y);
возмущения, которые условно можно разделить на внешние, приложенные к входам и выходам процесса (Zv,u, Zy), и внутренние, приложенные к состоянию процесса (Zx).
Показателями (целевой функцией, критериями) (Ц) технологической эффективности работы печи, технологического персонала и информационной системы являются: удельный расход кокса, производительность печи, выход кондиционного чугуна по содержанию серы в чугуне, температура жидких продуктов плавки в соответствии с требованиями последующего сталеплавильного производства. При этом должны быть выполнены ограничения (О) на технологию доменной плавки, т.е. обеспечена минимальная вероятность попадания технологического состояния печи в так называемые критические области (критические, аварийные режимы работы). шихты, отклонения температуры и состава дутья от заданных значений (Zv,u), нарушения в распределении материалов и газов по сечению печи (Zx). Для обеспечения стабилизации теплового режима требуется обеспечивать постоянный баланс основных составляющих режима плавки: нагрев материалов в печи, дренажные свойства шихтовых материалов, положение границ и формы зон вязкопластических материалов, плавления чугуна, процессы шлакообразования в нижних зонах печи и работа фурменного очага. Переходные процессы, связанные с действием возмущений, приводят к изменению теплового состояния процесса и, следовательно, к изменению состава продуктов плавки. При этом доменная печь как объект управления обладает большой инерционностью по отдельным каналам воздействий (постоянная времени достигает 2–4 часов) и запаздыванием (время запаздывания объекта 6–7 часов). Так, при изменении состава шихты переходный процесс длится до 15–20 часов. Указанные обстоятельства, безусловно, значительно усложняют процесс управления. Компенсация колебаний химического состава чугуна осуществляется технологами в основном за счет изменения массы кокса в подачу или изменения дутьевых параметров. Величина управляющих воздействий определяется статическими и динамическими характеристиками процесса. Эти характеристики являются нелинейными и изменяются во времени при колебаниях условий плавки, требуя соответствующего изменения величины управляющих воздействий.
Современная доменная печь является организованной управляемой интерактивной системой. Состояние этой системы определяется закономерностями комплекса физических процессов, протекающих в доменной печи, особенностями технологии, зависящей от конкретных топливно-сырьевых условий и оборудования доменной печи, включающей системы подготовки шихты, комбинированного дутья, систему отработки продуктов плавки, и принятым способом управления.
В связи с этим при оценке эффективности доменной плавки приходится анализировать не только процесс выплавки чугуна в доменной печи с его комплексом физических закономерностей, а также организованную функциональную систему с системами сбора информации, управления в контуре обратной связи. При этом под системой управления понимаются как используемые технические средства контроля и управления с присущими им метрологическими особенностями, так и участвующие в управлении технологи (лица, принимающие решения), целенаправленные действия которых обеспечивают управление доменным процессом.
Таким образом, автоматизированный технологический комплекс доменной печи как объект контроля и управления можно характеризовать следующими признаками:
большим объемом контролируемых переменных их расчетных признаков;
низкой прозрачностью процесса, так как отсутствует возможность непосредственного контроля развития отдельных стадий процесса выплавки чугуна;
существенным запаздыванием в получении информации о выходных показателях процесса (продуктах плавки), в связи с чем результаты непосредственного контроля часто не позволяют определять первопричину расстройства хода печи;
глубокой взаимосвязью всех процессов плавки при ограниченности ресурсов на управление;
наличием случайных измерительных помех различной природы и характера, что снижает качество информации.
Комплексный подход к учету всей совокупности перечисленных признаков диктует необходимость построения самых современных информационно-управляющих систем.
Опыт работы лучших отечественных и зарубежных мощных доменных печей свидетельствует о том, что для выплавки качественного чугуна с минимальными затратами необходимо контролировать 500–800 характеристик входных и выходных параметров плавки, технологических параметров самого доменного процесса и работы оборудования печи, для чего используется более 3000 единиц аппаратуры.