Разработка АСУТП стабилизации химического состава агломерата

Актуальность работы. В мировой практике агломерации все более актуальным становится вопрос создания современного малозатратного и экологически безопасного производства высококачественного железорудного агломерата, который и в дальнейшем будет оставаться основным компонентом доменной шихты. Последнее предопределяется тем, что агломерационный процесс в настоящее время является самым производительным и экономичным способом получения офлюсованного сырья для доменной плавки, а также попутной утилизации отходов металлургического производства.

В России в настоящее время работают 11 предприятий, производящих железорудный агломерат. Парк агломерационных машин России на 2005 год fj включает 56 машин общей площадью спекания 6600 м и производственной мощностью 57 млн. т агломерата в год. Однако технология производства агломерата на них по ряду причин не содержит в полном объеме ни одного из современных элементов, обеспечивающих требуемое качество агломерата при низких затратах. Несоответствие технологических схем и технического уровня оборудования шихтовым условиям, интенсивная эксплуатация большинства отечественных агломерационных фабрик без серьезной реконструкции в течение многих лет, привела к их износу и глубокому отставанию по техническому уровню от агломерационных фабрик зарубежных заводов, например Европы и Японии. Средние характеристики качества агломерата, например, колеблемость химического состава, в три-четыре раза хуже требуемого.

Усовершенствование технологии агломерации, главным образом, осуществляется путем интенсификации процесса спекания и роста единичной мощности. Управление мощными технологическими агрегатами на основании опыта и интуиции обслуживающего персонала, а также отсутствие совместной обработки информации, получаемой из разных источников, приводит к невозможности оперативного выявления причин разладки технологического процесса, не обеспечивает стабильность управления процессом агломерации и, как следствие, приводит к ухудшению качества выпускаемого агломерата.

Разнообразие агрегатов и режимов их работы, необходимость повышения стабильности химического состава агломерата в условиях формирования железорудной части шихты из компонентов, существенно отличающихся по своим химическим и физико-механическим свойствам (концентратов, агломерационных руд, отходов металлургического производства), существенная неполнота информации о состоянии технологического процессавсе это требует высокого уровня организации системы управления. Создание и внедрение автоматизированной системы управления технологическим процессом стабилизации химического состава агломерата с использованием современной информационной технологии является актуальной научно-технической задачей.

Объект исследования. Технологический комплекс, формирующий химический состав агломерата.

Предмет исследовании. Алгоритмы моделирования и управления химическим составом агломерата.

Цель работы. Разработка алгоритмов и программ, использование которых позволяет повысить эффективность системы стабилизации химического состава агломерата в условиях изменения структуры и параметров технологического процесса.

Задачи исследования. Исходя из цели работы, были поставлены и решены следующие задачи:

— выполнить совместное исследование технологических и информационных аспектов формирования стабильного химического состава агломерата;

— разработать алгоритмическое обеспечение решения задачи синтеза системы стабилизации химического состава агломерата;

— разработать программное обеспечение с использованием алгоритмов синтеза системы стабилизации химического состава агломерата, и апробировать его в промышленных условиях.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы вычислительного эксперимента, математической статистики, методы системного анализа, объектно-ориентированного анализа и проектирования, математического моделирования.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов обеспечивается использованием аппарата системного анализа, математического программирования и оптимизации, численных методов, балансовых соотношений, математической статистики, сопоставлением результатов моделирования и экспериментальных данных, сопоставлением полученных результатов с известными результатами, содержащимися в научной и справочной литературе, а также успешным промышленным внедрением выполненных разработок.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в следующем.

1 Разработана методика синтеза системы стабилизации химического состава агломерата. Система включает в себя воздействия на процесс формирования железорудной части шихты, предупреждающие возникновения аномальных зон в усреднительном штабеле, а также коррекцию расходов флюсов и твердого топлива по прогнозируемым значениям основности агломерата и содержания монооксида железа в агломерате.

2 Разработан, исследован и апробирован комплекс упрощенных ба-лансово-статистических моделей, описывающих процесс стабилизации химического состава агломерата с учетом неопределенностей, связанных с изменениями структуры и параметров технологического процесса.

3 Выявлены и исследованы основные факторы, дестабилизирующие функционирование системы стабилизации химического состава агломерата.

4 Разработана интегрированная система стабилизации химического состава агломерата, включающая в себя процедуры прогнозирования химических свойств шихты и агломерата с использованием уравнений материального баланса и текущих значений расходов компонентов аглошихты.

На защиту выносится:

— результаты системного анализа процесса стабилизации ХС агломерата, позволившие обосновать структуру и параметры моделей, описывающих свойства компонентов шихты и регулировочные характеристики;

— постановка и численное решение задач стабилизации средневзвешенного содержания железа в компонентах ЖРЧШ и ХС агломерата для конкретных предприятий;

— комплекс концептуальных моделей, обосновывающих функции проектируемой системы, классы объектов, а также сущности и связи между ними;

— многослоевая архитектура системы верхнего уровня стабилизации ХС агломерата, основанная на объектно-ориентированном подходе и обеспечивающая гибкость и простое развитие системы.

Практическая ценность работы. Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанное алгоритмическое обеспечение позволяет прогнозировать химический состав шихты и агломерата, и реализовать АСУТП стабилизации химического состава агломерата, что способствует повышению качества управления процессом и увеличению производства годного агломерата.

Внедреппе результатов. Результаты диссертационной работы в форме алгоритмического и программного обеспечения АСУТП стабилизации химического состава агломерата внедрены на ОАО «ММК» г. Магнитогорск и ОАО «Северсталь» г. Череповец. Материалы диссертации включены в учебные курсы для студентов специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления» направления 654 600 — «Информатика и вычислительная техника» Уральского государственного горного университета г. Екатеринбург.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV Международной конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» г. Череповец, 2003), на третьей Международной научно-практической конференции «На передовых рубежах науки и инженерного творчества. РУО ЛИН» (г. Екатеринбург, 2004), на III Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» (г. Пенза, 2003), на II Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (г. Москва — г. Тула, 2004), на технических советах горно-обогатительного производства ОАО «ММК» г. Магнитогорск и агломерационного производства ОАО «Северсталь» г. Череповец.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Стру1стура диссертации. Диссертационная работа изложена на 165 страницах машинописного текста, включая 61 рисунок, 19 таблиц, и состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 90 источников отечественных и зарубежных авторов, трех приложений.

Основные выводы по работе заключаются в следующем:

1 Установлено, что исследуемый технологический комплекс является сложным объектом управления, характеризующийся:

— большой размерностью вектора качественных характеристик ЖРЧШ и агломерата, а также отсутствием автономных управляющих воздействий;

— многосвязностыо (изменение любых управляющих воздействий оказывает влияние на несколько выходных переменных);

— отсутствием автоматического контроля качественных характеристик компонентов аглошихты и самого агломерата;

— неполной управляемостью, обусловленной модульными ограничениями на значения управляющих воздействий, а также невозможностью реализовать в локальных контурах регулирования точные расчетные значения управляющих воздействий.

— высоким уровнем помех, обусловленных погрешностями дискретного контроля ХС компонентов ЖРЧШ.

2 Предложено описывать технологический комплекс стабилизации ХС агломерата совокупностью детерминированной составляющей, описанной алгоритмической схемой замещения, и стохастической составляющей, обусловленной факторами неопределенностей. К факторам неопределенностей относятся:

— отсутствие актуальных ХС компонентов шихты;

— отклонения фактических расходов компонентов шихты от заданных значений;

— нарушения циклического графика подачи партий привозных руд;

— нарушения технологии загрузки и отгрузки штабеля.

Предложенная модель позволяет:

— прогнозировать в реальном времени средневзвешенное содержание железа в потоках, поступающих и отгружаемых с усреднительного склада и ХС агломерата;

— исследовать возмущения, связанные с образованием аномальных по ХС зон в штабеле на усреднителыюм складе;

— исследовать влияния погрешности контроля на точность прогнозирования;

— оценить чувствительность качественных характеристик ЖРЧШ к изменению характеристик компонентов шихты.

3 Разработана трехмерная имитационная модель работы усреднительного склада, позволяющая исследовать влияния режимов формирования и отгрузки штабеля на характеристики отгружаемого потока аглошихты.

4 Выполненный системный анализ технологического комплекса и результаты имитационного моделирования работы усреднительного склада позволил установить следующие закономерности:

— существенное отличие фактического технологического режима от регламентного, обусловленное влиянием факторов неопределенности;

— прерывистый характер расхода ЖРЧШ в потоке, поступающем на усреднительный склад, вследствие нарушения графика подачи привозного сырья, и зависания материала в бункерах;

— более высокочастотный характер изменения содержания железа в потоке, отгружаемом с усреднительного склада, по сравнению с потоком ЖРЧШ, поступающем на склад;

— уменьшение амплитуды колебаний содержания железа в потоке, отгружаемом с усреднительного склада, по сравнению с потоком ЖРЧШ, поступающим на склад;

— увеличение дисперсии содержания железа в потоке, отгружаемом со склада, при нарушении регламента загрузки штабеля по сравнению с дисперсией содержания железа в этом же потоке при соблюдении регламента.

5 Общая задача стабилизации ХС агломерата сводится к определению расходов компонентов ЖРЧШ, флюсов и топлива, доставляющих минимум взвешенной сумме квадратов отклонений FeO и основности агломерата от заданных значений. В результате декомпозиции общей задачи стабилизации ХС агломерата выделены частные задачи стабилизации содержания железа в ЖРЧШ и стабилизация ХС агломерата. Первая задача сводится к минимизации суммы квадратов отклонений содержания железа в потоке сырья, подаваемого в штабель, от заданного значения при условии разделения ЖРЧШ на ведущие и ведомые компоненты и аддитивности критерия. Вторая задача заключается в стабилизации ХС агломерата с использованием математической модели, учитывающей ограничения и взаимосвязи между расходами компонентов аглошихты.

6 Верхний уровень АСУТП стабилизации ХС агломерата реализован в виде трех слоев: представления, модели и интерфейса данных. Гибкость и простое развитие системы обеспечиваются объектно-ориентированным подходом к проектированию и реализации системы. Возможность повторного использования позволяет адаптировать программное обеспечение для других м етал л у ргич ее ких пр ед прияти й.

7 Разработано программное обеспечение, направленное на реализацию методики решение задачи синтеза системы стабилизации ХС агломерата и основанное на использование языков моделирования, поддерживаемых CASE-средствами. Надежность функционирования поддерживается объектно-ориентированным средством разработки.

8 Эффективность разработанной системы управления в контуре стабилизации ХС агломерата характеризуется снижением относительной дисперсии по содержанию монооксида железа в агломерате на 25%, основности агломерата на 20%, в контуре стабилизации железорудной части шихты — на 50%. Практическую полезность полученных результатов подтверждает успешное внедрение системы на двух крупнейших металлургических предприятиях России.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе решена научно-техническая задача разработки АСУТП стабилизации ХС агломерата. Актуальность этой задачи постоянно возрастает в связи с вовлечением в переработку сырья с различными химическими и физико-механическими свойствамимногообразием технологических ситуаций, возникающих при управлении процессом подготовки агло-шихтысовместной переработкой концентратов и агломерационных рудбольшими масштабами аглопроизводства.

Диссертация представляет собой комплексную научную работу, сочетающую в себе исследования как методического, так и прикладного характера, направленные на повышение эффективности управления ХС агломерата. Разработан и адаптирован к промышленным условиям для ОАО «ММК» и ОАО «Северсталь» программный продукт, позволяющий стабилизировать ХС агломерата.