Синтез системы оптимального управления газовым режимом горизонтальных конвертеров

В настоящее время развитие промышленности во многом зависит от внедрения современных технологий автоматизации и управления. Автоматизированные системы управления, построенные на базе микропроцессорной техники, позволяют достигнуть значительного экономического эффекта и повысить культуру труда на предприятиях. Вместе с тем, существует значительная часть технологических объектов, практически не поддающихся автоматизации широко известными в настоящее время методами вследствие малоизученности процесса, недостатка оперативной информации о его параметрах, отсутствия технических средств управления и др. Это в большой степени относится к применяемым в цветной металлургии горизонтальным конвертерам, уровень автоматизации которых весьма низок. Поскольку в процессе конвертирования штейнов выделяется значительное количество серосодержащих газов, выброс которых в атмосферу является причиной резкого ухудшения экологической обстановки в регионе, повышение степени их утилизации является одной из приоритетных задач. Наиболее экономически оправданным способом утилизации конвертерных газов является их переработка на серную кислоту. Эффективность и технико-экономические показатели сернокислотного производства в значительной мере определяются концентрацией поступающих на него газов. Снижение разбавления конвертерных газов и исключение их выбросов в атмосферу требуют оптимизации газового режима конвертеров, невозможной при ручном управлении процессом.

Изложенное определяет актуальность данной диссертационной работы, посвященной синтезу системы оптимального управления газовым режимом горизонтальных конвертеров.

Цель настоящей работы можно сформулировать как повышение степени утилизации конвертерных газов при помощи автоматизированной системы оптимального управления газовым режимом конвертерного передела.

Отсутствие технических средств контроля за процессом газоудаления является главной причиной, не позволяющей создать работоспособные автоматические системы управления газовым режимом горизонтальных конвертеров. Газовый режим конвертера может контролироваться только по косвенным показателям и оцениваться по методикам, полученным формализацией производственного опыта технологического персонала. Разработанные таким образом алгоритмы управления могут быть использованы при синтезе автоматизированной системы.

Настоящая диссертационная работа, направленная на решение указанных задач, выполнена на кафедре печей, контроля и автоматизации металлургического производства Санкт-Петербургского государственного горного института в рамках договора на научно-исследовательские работы № 33/2000 от 3.10.2000 «Система автоматической оптимизации газового режима горизонтальных конвертеров», заключенного с ГМК «Печенганикель». Работа состоит из четырех глав, заключения и приложения.

В первой главе дана оценка роли горизонтальных конвертеров в цветной металлургии и показана важность оптимального управления их газовым режимом. Приведена общая характеристика процесса эвакуации конвертерных газов как объекта управления, рассмотрена конструкция газового тракта конвертеров и основные факторы, влияющие на газовый режим агрегатов. Задача управления газовым режимом конвертерного передела разделена на три составляющих: стабилизацию технологических параметров процесса, оптимизацию газового режима каждого отдельного конвертера и оптимизацию газового режима конвертерного отделения в целом. В соответствии с проведенной декомпозицией предложена трехуровневая иерархическая структура системы управления газовым режимом конвертерного передела. В результате анализа состояния вопроса сформулированы конкретные задачи и методологические направления исследований.

Вторая глава диссертационной работы посвящена синтезу автоматической системы стабилизации разрежения в пылевой камере конвертера. Произведена идентификация газового тракта горизонтального конвертера, как объекта управления нижнего уровня. Показано, что с достаточной точностью динамика газового тракта описывается дифференциальным уравнением первого порядка. Определены числовые значения коэффициентов этого уравнения. Показано, что с технико-экономической точки зрения наиболее целесообразно реализовать управление разрежением в газовом тракте конвертера путем изменения частоты вращения дымососа, оснащенного частотно-регулируемым асинхронным электроприводом. Определены параметры передаточной функции регулируемого электропривода по каналу: частота питающего напряжения — частота вращения дымососа. Обоснована структура и произведен параметрический синтез системы автоматической стабилизации разрежения в пылевой камере, удовлетворяющей условию минимума квадратичной интегральной оценки качества переходного процесса.

Третья глава работы посвящена исследованию процесса газоудаления из конвертера как объекта управления. Выделены и описаны основные факторы, влияющие на процесс газоудаления, разработана статическая модель-наблюдатель объекта, позволяющая рассчитать содержание диоксида серы в конвертерных газах после их разбавления по наблюдаемым переменным и проверена ее адекватность. Проведенный анализ показал, что газовый режим конвертера определяется совокупностью трех основных технологических параметров: расход дутья, поступающего в конвертер, разрежение в газовом тракте и величина зазора между горловиной агрегата и кромкой напыльника. Поскольку последний из перечисленных влияющих факторов не поддается измерению, в главе обоснована и разработана методика его оценки по текущей температуре конвертерных газов. Показана невозможность точного математического описания газового режима конвертера с точки зрения установления формализованной связи между основными параметрами процесса и выбиванием газов из-под напыльника в цех, что обуславливает необходимость использования в системе управления математического аппарата теории нечетких множеств. Проведены исследования временных характеристик процесса газоудаления из конвертера и даны рекомендации по управлению этим процессом для различных режимов работы агрегата: пуск, установившийся режим, остановка.

В четвертой главе разработаны алгоритмы нечеткого управления газовым режимом горизонтального конвертера. Показано, что процесс газоудаления может быть описан при помощи семи лингвистических переменных, причем исходной посылкой к присвоению этому процессу той или иной оценки является совокупность значений трех наблюдаемых параметров: расхода дутья, разрежения в пылевой камере и зазора между горловиной конвертера и напыльником. Обоснована двухзвенная структура нечеткого регулятора. Первый блок регулятора осуществляет нечеткую оценку процесса газоудаления по измеренным четким параметрам, второй на основании полученной оценки с учетом текущей температуры газов формирует управляющее воздействие в виде задания величины разрежения в пылевой камере системе нижнего уровня. Произведена идентификация параметров нечеткого регулятора. Опрос экспертов — специалистов конвертерного отделения плавильного цеха ГМК «Печенганакель» позволил определить численные границы существования лингвистических переменных и номинальные значения технологических параметров. Проведенный на разработанной имитационной модели системы управления газовым режимом конвертера вычислительный эксперимент показал работоспособность предложенных алгоритмов. Определена общая структура автоматической системы управления газовым режимом конвертерного передела с учетом системы верхнего уровня, осуществляющей перераспределение газовых потоков конвертеров на основании информации о содержании в них диоксида серы, предоставляемой моделью-наблюдателем.

В приложениях к работе приводятся наиболее громоздкие выкладки, тексты программ, моделирующих работу модели-наблюдателя и нечеткой системы управления, результаты их работы и примеры опросных листов, заполненных экспертами — сотрудниками ГМК «Печенганикель» при разработке алгоритмического обеспечения системы управления.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса газоудаления из горизонтального конвертера может быть представлена системой уравнений, составленных на базе материального и теплового балансов газового потока, позволяющей по измеряемым на объекте технологическим параметрам рассчитать количество газов, поступающих на сернокислотное производство и содержание в них диоксида серы.

2. Оптимальное управление газовым режимом горизонтального конвертера заключается в поддержании в газовом тракте разрежения, минимизирующего разбавление газов подсасываемым воздухом и исключающего их выброс в атмосферу цеха, определяемого по базе правил логического вывода, составленной по результатам обработки нечетких лингвистических оценок процесса газоудаления, и реализуемого изменением частоты вращения дымососа.

Выводы по 4 главе.

1. Разработана методика оценки процесса газоудаления из конвертера по косвенным показателям с использованием теории нечеткой логики. Показано, что процесс газоудаления может быть описан при помощи семи лингвистических переменных («сильный газовый выброс», «умеренный газовый выброс», «газовый выброс», «нормально», «подсос», «умеренный подсос», «сильный подсос»), причем исходной посылкой к присвоению процессу газоудаления той или иной оценки является совокупность значений трех параметров: расхода дутья V0, разрежения в пылевой камере Рп к и зазора между горловиной конвертера и напыльником 8.

2. Обоснована двухзвенная структура нечеткого регулятора. Первый блок регулятора осуществляет нечеткую оценку процесса газоудаления по трем измеренным четким параметрам (Vd, Рпк и 8), второй на основании полученной оценки с учетом текущей температуры газов формирует управляющее воздействие в виде задания на разрежение в пылевой камере, отрабатываемое системой нижнего уровня. Разработано алгоритмическое обеспечение блоков оценки процесса газоудаления и формирования управляющего воздействия нечеткого регулятора системы. Логика системы представлена в виде баз правил логического вывода. Управляющее воздействие в виде рекомендации об изменении задания на разрежение в пылевой камере в ту или иную сторону выводится на основании полученной в первом блоке нечеткой оценки характера газоудаления с учетом ограничения по температуре конвертерных газов.

3. Произведена идентификация параметров нечеткого регулятора. Опрос экспертов — специалистов конвертерного отделения плавильного цеха ГМК «Печенганакель» позволил определить численные границы существования лингвистических переменных и номинальные значения технологических параметров. Проведенный на разработанной модели системы управления газовым режимом конвертера вычислительный эксперимент показал работоспособность предложенных алгоритмов.

4. Обобщена структура автоматической системы управления газовым режимом конвертерного передела, с учетом системы верхнего уровня, осуществляющей перераспределение газовых потоков конвертеров на основании информации о содержании в них диоксида серы, предоставляемой моделью-наблюдателем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключение приведем основные результаты и рекомендации, полученные в данной работе.

1. Обоснована трехуровневая иерархическая структура системы автоматического управления газовым режимом конвертерного передела. Нижний уровень включает в себя локальные системы стабилизации разрежения в пылевой камере, стабилизации расхода дутья при помощи механических фурмовочных машин и автоматического управления загрузкой флюсов и холодных присадок в конвертер без прекращения продувки, работающие на всех конвертерах передела. Средний уровень иерархии представляет собой системы автоматической оптимизации газового режима каждого конвертера, путем изменения задания в системах стабилизации разреже-ия в пылевых камерах конвертеров с целью повышения содержания диоксида серы в конвертерных газах при исключении выброса газов в цех с учетом ограничений по температуре. Верхний уровень иерархии представляет собой систему автоматического управления газовыми потоками конвертеров, осуществляющую на основании информации, предоставляемой системами нижнего и среднего уровней, перераспределение этих потоков между сернокислотным производством и дымовой трубой. Сформулированы критерии оценки качества работы всех уровней системы.

2. Произведена идентификация газового тракта горизонтального конвертера, как объекта управления нижнего уровня. Показано, что с достаточной точностью динамика газового тракта описывается дифференциальным уравнением первого порядка. Определены числовые значения коэффициентов этого уравнения. Показано, что с технико-экономической точки зрения наиболее целесообразно реализовать управление разрежением в газовом тракте конвертера путем изменения частоты вращения дымососа, оснащенного частотно-регулируемым асинхронным электроприводом. Обоснована структура и произведен синтез системы автоматической стабилизации разрежения в пылевой камере, удовлетворяющей условию минимума квадратичной интегральной оценки качества переходного процесса для условий ГМК «Печенганикель». Разработано математическое процесса газоудаления из конвертера как объекта управления среднего уровня на базе соотношений, описывающих разбавление и теплообмен газов на пути от ванны агрегата до выхода из пылевой камеры, определены основные параметры газового режима горизонтального конвертера. На основании математического описания составлена модель, позволяющая определить содержание диоксида серы в конвертерных газах и эквивалентную величину зазора между на-пыльником и горловиной агрегата по текущим измеряемым параметрам процесса в установившемся режиме и проверена ее адекватность. Обоснована целесообразность применения нечеткой логики для оценки характера газоудаления из конвертера. Проведены исследования временных характеристик процесса газоудаления из конвертера и даны рекомендации по управлению процессом для различных режимов работы: пуск, установившийся режим, остановка.

Разработана методика оценки процесса газоудаления из конвертера по косвенным показателям с использованием теории нечеткой логики. Показано, что процесс газоудаления может быть описан при помощи семи лингвистических переменных, причем исходной посылкой к присвоению процессу газоудаления той или иной оценки является совокупность значений трех параметров: расхода дутья Vd, разрежения в пылевой камере Рп к и зазора между горловиной конвертера и напыльником S.

5. Обоснована двухзвенная структура нечеткого регулятора. Первый блок регулятора осуществляет нечеткую оценку процесса газоудаления по имеющимся четким параметрам (Vt, Рпк и S), второй на основании полученной оценки с учетом текущей температуры газов формирует управляющее воздействие в виде задания на разрежение в пылевой камере, отрабатываемое системой нижнего уровня. Разработано алгоритмическое обеспечение блоков оценки процесса газоудаления и формирования управляющего воздействия.

6. Произведена идентификация параметров нечеткого регулятора. Опрос экспертов — специалистов конвертерного отделения плавильного цеха ГМК «Печенганакель» позволил определить численные границы существования лингвистических переменных и номинальные значения технологических параметров. Проведенный на разработанной имитационной модели системы управления газовым режимом конвертера вычислительный эксперимент показал работоспособность предложенных алгоритмов.