Алгоритмизация идентификационно-тестовых систем технологических измерений в черной металлургии

Актуальность темы

Интенсификация металлургических процессов, повышение качества получаемых продуктов, необходимость учета экономических показателей работы металлургического производства настоятельно требуют дальнейшего совершенствования систем технологических измерений, повышения достоверности и точности результатов измерений.

Нестационарность, нелинейность, распределенность свойств объектов измерения, нестабильность метрологических характеристик средств измерений в действующих системах управления, связанная с влиянием различных воздействий, неизбежных в условиях металлургического производства, приводит к большим статическим погрешностям измерения.

Использование традиционных периодических поверок и испытаний автоматизированных систем технологических измерений (АСТИ), невысокий уровень автоматизации и механизации этих работ не обеспечивают требуемую точность измерения, оперативность и единообразие в проведении метрологической аттестации систем, регистрации и обработки результатов.

Современное метрологическое обеспечение АСТИ в металлургии опирается, в основном, на статические либо квазистатические модели метрологического процесса, что сдерживает прогресс в этой важной области. Назрела необходимость, и имеются методические основы для реального перехода от традиционного (статического) к динамическому метрологическому обеспечению систем автоматизации доменных, сталеплавильных и других агрегатов, ибо наиболее узким местом в автоматизации этих объектов было и продолжает оставаться качество измерительной информации. Однако, этот переход сдерживается слабым методическим, алгоритмическим и техническим обеспечением процессов поверки, особенно в рабочих режимах эксплуатации систем автоматизации металлургических объектов.

С целью формирования требуемого количества и качества измерительной информации и решения соответствующих задач в работе предлагается новый класс многовариантных идентификационно-тестовых систем технологических измерений со встроенными метрологическими испытательными установками (МвИТИС с МИУ) или встроенными метрологическими блоками (МвИТИС с ВМБ) с выделением для них достаточных ресурсов и тесным сопряжением их со всеми другими подсистемами АСУ ТП.

Целью настоящей работы является повышение достоверности и точности измерений основных технологических параметров металлургических процессов при использовании в производственных системах низкоточного и нестабильного измерительного оборудования, а также повышение гибкости и расширение функциональных возможностей систем технологических измерений в черной металлургии и других областях промышленности.

В соответствии с поставленной целью решаются задачи:

1. Разработка функционально-структурной организации автоматизированных многовариантных идентификационно-тестовых систем технологических измерений со встроенными метрологическими блоками и установками.

2. Конкретизация, совершенствование и метрологический анализ традиционных тестовых и предлагаемого идентификационно-тестового методов измерения.

3. Создание и исследование многовариантных алгоритмов дельта-идентификации метрологических характеристик (МХ) измерительных преобразователей и систем на базе тестовых (пробных) воздействий «в малом» в действующих производственных системах.

4. Разработка и применение пакетов прикладных программ помехозащи-щенной обработки динамических сигналов, определения скользящих статистических и метрологических характеристик.

5. Разработка и реализация учебно-испытательных многовариантных систем технологических измерений для освоения типовых задач промышленной метрологии.

6. Планирование и проведение специальных опытно-промышленных экспериментов с целью формирования базы натурных сигналов измерительной информации.

Основы выполнения работы. Теоретической основой разработки систем технологических измерений со встроенными метрологическими блоками являются методы нетрадиционной метрологической идентификации с нанесением пробных (тестовых) воздействий «в малом», тестовые методы повышения точности измерений и новые способы измерения с дельта-замещением рабочей средой образцовых мер «в малом», многовариантные фильтры помехозащищен-ной обработки динамических сигналов измерительной информации для оперативной идентификации метрологических характеристик. Используются робастные процедуры многовыборочного (многовариантного) формирования и анализа натурных и полунатурных данных в условиях обычной эксплуатации средств измерений и ограниченного активного эксперимента.

К основам разработанных метрологических учебных и испытательных установок относятся: аппарат натурно-математического моделирования, многовариантное образное представление нестационарных рядов данных, многоканальный организационный механизм обучающей системы.

Научная новизна заключается в разработке:

1) новых нетрадиционных тестовых способов повышения точности технологических измерений в реальных условиях эксплуатации с оперативным накоплением информации о фактических градуировочных характеристиках измерительных преобразователей и систем;

2) нового метода дельта-идентификации с нанесением тестовых воздействий «в малом» ;

3) многовариантного алгоритмического обеспечения встроенных метрологических блоков;

4) алгоритмов формирования многовариантных оценок, их анализа, ком-плексирования и определения результирующей оценки измеряемой величины;

5) способов и алгоритмов настройки идентификационно-тестовых систем со встроенными метрологическими блоками.

Практическая ценность и реализация результатов. Разработано и испытано комплексное обеспечение МвИТИС с ВМБ, включающее инженерные методики, базовые структуры, алгоритмы и компьютерные программы. Большое внимание уделено надлежащему обновлению учебно-исследовательского процесса в русле МвИТИС-направления. Осуществлена инженерная конкретизация встроенных метрологических блоков для аналоговых и аналого-цифровых систем измерения таких технологических параметров, как масса материалов и грузов, расход жидких и газообразных веществ, температура, концентрация. Разработки сделаны применительно к измерению больших масс в статике и динамике, в частности, в режиме опытно-промышленных испытаний на ОАО «КМК» и «ЗСМК» в системах дозирования шихтовых материалов доменных и электросталеплавильных цехов и системах взвешивания в движении на автомобильных и железнодорожных весах.

Созданы новые способы и технические устройства автоматизации пове-рочно-настроечных работ измерительных систем в ходе их рабочего функционирования. Главное внимание уделено реализации тестовых воздействий физического (технологического) характера, и именно этот путь представляется важнейшим для коренного улучшения систем технологических измерений.

Источниками эффективности практического использования предлагаемых разработок в русле МвИТИС являются:

1) возможность осуществления высокоточных измерений при наличии нестабильных рабочих средств измерения, в частности, низкоточных, с дрейфующей градуировочной характеристикой (ГХ), преобразователей;

2) снижение энерго-, материалоемкости поверочных механизмов и компактное их построение;

3) совмещение поверочных и рабочих измерений, уменьшение трудовых затрат на обслуживание измерительных систем и быстрое накопление достоверной информации об их фактических характеристиках.

Разработаны и поэтапно внедряются многовариантные автоматизированные учебно-испытательные установки в лабораториях кафедр систем автоматизации, систем информатики и управлении, инженерных конструкций Сибирского государственного индустриального университета.

Эффективность разработок исследовалась на специально сконструированной учебно-испытательной установке «Доза». Показано повышение точности измерения массы материала в составе системы порционного дозирования в 2−5 раз.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: конференции «Компьютеризация учебного процесса в техническом вузе» (Новокузнецк, 1994), Международной конференции «Измерение, контроль, автоматизация производственных процессов» (Барнаул, 1994), конференции «Метрология и автоматизация» (Новокузнецк, 1995), научно-технической конференции «Экологические проблемы крупного промышленного центра» (Новокузнецк, 1995), Международной конференции «Структурная перестройка металлургии» (Новокузнецк, 1996), Международной научно-практической конференции «Управление большими системами» (Москва, 1997), научно-технической конференции «Системы и средства автоматизации» (Новокузнецк, 1998), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» (Новокузнецк, 1998), Международной научно-практической конференции «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (Пенза, 1999), юбилейной региональной научно-практической конференции «Перспективы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 1999).

Предмет защиты. Предметом защиты служат многовариантные алгоритмы идентификационно-тестовых методов измерений, конкретные обучающие, испытательные и рабочие системы многовариантных технологических измерений со встроенными метрологическими блоками и установками применительно к металлургическим объектам.

На защиту также вынесены методические основы и инженерные разработки по идентификационно-тестовым методам измерения с конкретизацией в виде пакетов прикладных программ (111 111) и устройств в системах автоматизации учебного, исследовательского и производственного назначения.

Основной вклад автора в эти разработки заключается в обобщении и конкретизации принципиально нового направления многовариантных систем технологических измерений со встроенными метрологическими блоками, постановке и решении задач выбора, совершенствования и настройки методов и средств технологических измерений, а также разработке алгоритмов и пакетов прикладных программ идентификационно-тестовых измерений и автоматизированных учебно-испытательных установок и систем, проведении детальных исследований предлагаемых алгоритмов, связанных с обработкой (в частности многовариантным оцениванием) данных, полученных в результате проведения промышленных экспериментов и формирования базы сигналов измерительной информации (СИИ) таких технологических процессов, как дозирование массы материалов, взвешивание грузов, находящихся в статическом состоянии и в движении, транспортировка жидких и газообразных сред и других.

Исследования выполнены по Федеральной целевой программе «Интеграция», Единому заказ-наряду Минобразования РФ, а также по договорам содружества с ОАО «КМК» и «ЗСМК», и вузовской программе развития обучающих систем в рамках общего научно-прикладного направления «Вариантника».

Рассматривается новый класс автоматизированных систем, ориентированных на повышение надёжности, достоверности и точности технологических измерений за счет применения специализированных метрологических испытательных установок (блоков) в составе рабочих измерительных систем.

В составе рассматриваемой системы предусматриваются гибкие динамические метрологические блоки для реализации многовариантных методов измерения с дельта-замещением рабочей средой образцовых мер «в малом» и дельта-тестированием (т.е. нанесением пробных воздействий «в малом» на объекты измерений, фильтры и устройства помехозащищённой обработки динамических сигналов измерительной информации с использованием многовариантного робастного оценивания), а также метрологические блоки для оперативного определения характеристик средств измерений и систем.

Автоматизированные системы технологических измерений со встроенными метрологическими блоками принципиально отличаются от традиционных систем измерения тем, что наряду с известными метрологическими воздействиями, как правило, на уровне образцовых воздействий (Хобр) и сигналов (¡-1-сигналов), непосредственно на входы базовых измерительных средств накладываются специальные ограничения и метрологические формирующие воздействия (в т.ч. тестовые, индикаторные, развертывающие и т. п.) непосредственно на объекты измерения.

На примере систем рассматриваемого типа конкретизируется перспективное направление современной метрологии (теории и практики комплексного управления качеством измерительной информации), опирающейся на широкое использование так называемых многовариантных структур, средств, систем. Для конкретности назовем труды В. П. Авдеева, Л. П. Мышляева по производственно-исследовательским системам с многовариантной структурой, которые включают встроенные тренажеры и испытательные стенды.

Алгоритмическое обеспечение рассматриваемых систем технологических измерений опирается на тестовые способы повышения точности измеренияметоды идентификации метрологических характеристикмноговариантные поме-хозащищенные (робастные) сглаживающие фильтры для первичной и вторичной обработки динамических сигналов и процедуры многовыборочного формирования и анализа натурных и полунатурных данных в условиях обычной эксплуатации средств измерений и ограниченного активного эксперимента.

Суть тестовых методов повышения точности результата измерения заключается в использовании дополнительных пробных воздействий (аддитивных и мультипликативных тестов) непосредственно в процессе измерения постоянных или переменных физических величин [Э.М. Бромберг, К.Л. Куликовский]. Эти методы благодаря своим особенностям позволяют получить в цикле измерения либо результат измерения (оценку измеряемой величины), либо оценки реальной градуировочной характеристики.

В русле теории и практики многовариантных структур, средств и систем (МВС) поставлены и решены задачи алгоритмизации технологических измерений с совместным использованием тестовых воздействий и идентификационных процедур обработки получаемых данных. Такое сочетание позволяет преодолеть быструю «забываемость» чисто тестовых методов с полным воспроизведением операций в каждом цикле, включая регулярное нанесение самих тестовых воздействий, путем перехода к разнообразным режимам тестирования и повышения помехоустойчивости оценок за счет информационной преемственности между последовательными измерениями в условиях относительно медленного дрейфа градуировочных характеристик.

При построении МвИТИС наибольшее внимание уделяется многовариантной тестирующей подсистеме (МвТПС) и многовариантной идентифицирующей подсистеме (МвИПС) с учетом их взаимосвязи и связей с другими функциональными подсистемами, а также с объектами измерения в режиме частичного метрологического управления ими. Учитывая физическую природу тестовых воздействий на конкретный объект измерения, информационно-материальная по содержанию МвТПС строится подобно многорежимному автоматизированному приводу технологического назначения.

Обработка реальных динамических сигналов и порождаемых ими рядов данных в системах идентификационно-тестовых измерений опирается на многовариантные структуры, включающие совместно с традиционными алгоритмами новые алгоритмы каскадно-медианного многовариантного и параллельного усреднения. Такого рода разработки доведены до программно-алгоритмических модулей, составляющих единую основу на всех этапах первичного сглаживания, противоинерционного преобразования, выделения информативных участков и определения оценок параметров динамических сигналов измерительной информации.

Во второй главе работы рассматриваются вопросы, связанные с математическим описанием процессов измерения, алгоритмизацией как традиционных, так и современных аналого-цифровых методов измерения. Произведена классификация, структуризация и сравнительный анализ методов измерения. Приведены постановки задач для различных способов измерения, результаты имитационного моделирования и метрологического анализа.

Предметом исследования являются тестовые методы повышения точности измерений и конкретные способы их реализации, так как именно этого направление представляется наиболее конструктивным в деле совершенствования систем технологических измерений. Достоинством традиционных тестовых методов, как известно, является независимость результата измерения от текущих значений параметров ГХ, что даёт возможность практически исключить низкочастотную составляющую погрешности измерения. К недостаткам этих методов можно отнести ограниченную возможность использования мультипликативных тестов из-за сложности их реализации, особенно, в системах технологических измерений.

В связи с указанными и другими ограничениями тестовых методов в настоящей работе поставлены и решены задачи совершенствования и разработки новых (нетрадиционных) методов тестовых измерений с применением только аддитивных тестовых воздействий, а также задача метрологического анализа традиционных и нетрадиционных методов, в том числе, предложенного в работе идентификационно-тестового метода измерений.

Для достижения поставленной цели в рамках исходных функциональных схем измерения, исследуемых алгоритмов измерения, заданного критерия точности, фиксированных исходных условий (предпосылок и ограничений) путем аналитических выводов получены выражения для предельных значений результирующей погрешности измерения как для традиционных, так и для исследуемых тестовых методов измерения и произведено сравнение полученных результатов.

В третьей главе работы представлены следующие взаимосвязанные разделы: учебно-испытательные МвТИ-системы с типовыми задачами технологической метрологиирабочие МвТИ-системы и комплексные МвТИ-системы с интеграцией учебных, испытательно-наладочных и рабочих функций (учебно-научно-производственный комплекс «Метролог» со встроенными и пристроенными подсистемами (блоками), включая автоматизированные учебно-испытательные лабораторные установки (АЛУ)).

Учебно-испытательный комплекс (УИК) «Метролог» предназначен для активного обучения методам и средствам измерения, динамической поверки и настройки первичных и вторичных измерительных преобразователей в составе КИП, САР, АСУ ТП и выполнения НИР в области промышленной метрологии.

В основу методического обеспечения УИК положен аппарат натурноматематического моделирования, идентификационно-тестовые методы измерения, обработка нестационарных рядов данных и активная организация обучения с применением нормативных моделей. В рамках УИК разработаны конкретные варианты обучающих систем, которые используются для активного обучения на всех стадиях подготовки и повышения квалификации специалистов.

С целью совершенствования действующих и разработки нового класса систем был поставлен и реализован промышленный эксперимент по регистрации натурных сигналов измерительной информации для основных технологических переменных. Разработан специализированный интерфейсный модуль и оригинальный пакет программ для проведения экспериментов в условиях нормальной эксплуатации объектов, отличающиеся от известных гибкостью и дополнительными функциональными возможностями. Сформированная база натурных сигналов используется для анализа действующих систем измерения и проведения натурно-модельных исследований в рамках учебно-испытательных комплексов.

Предложены новые способы и системы измерения массы, которые могут быть использованы в любой области для точного взвешивания и дозирования различных сред в диапазонах порядка нескольких единиц, десятков и даже тысяч тонн.

Предлагаемые способы позволяют полностью автоматизировать процессы поверки, испытаний и коррекции средств измерений непосредственно в ходе дозирования материалов или в специально формируемых исследовательских режимах их набора по заданной программе.

В системах порционного дозирования доменной печи № 2 и электросталеплавильного цеха № 2 Кузметкомбината были проведены эксперименты по практическому испытанию рассматриваемых способов измерения масс и оперативной поверке весоизмерительных систем.

Полученные результаты подтверждают возможность существенного (в 35 раз) снижения ошибок оценивания действительно набираемых масс и хорошо согласуются с результатами традиционной поверки весоизмерительных систем.

Задача повышения воспроизводимости результатов измерения массы в движении решена за счет разработки специализированного алгоритма обработки динамических сигналов, выполняющего многовариантное сглаживание сигналов по времени и по множеству реализаций, зарегистрированных при поос-ном и потележечном измерении массы в движении. Задача же повышения точности решена в первом приближении на основе идентификационно-тестовых измерений за счет применения дополнительных образцовых грузов, например, тележек и толкателей с известной массой заданной точности.

В работе представлена многовариантная технология расходометрии в виде автоматизированной системы, включающей учебно-испытательную установку и производственную систему со встроенным метрологическим блоком. Произведена конкретизация тестовых (однои двухдатчиковых) способов с разделением для измерения расхода по переменному перепаду давления (с использованием дополнительных образцовых измерений в обводных каналах-байпасах, а также дополнительных меченных воздействий).

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Тестовый метод измерения (ТМИ) — метод измерения физической величины с использованием тестовых (пробных) воздействий непосредственно в процессе измерения. Результатом измерения является оценка измеряемой величины.

Идентификационно-тестовый метод измерения (ИТМИ) — метод измерения физической величины, совмещающий редкое использование тестовых (пробных) воздействий с идентификацией градуировочной характеристики.

Многовариантные алгоритмы ИТМИ — алгоритмы, реализующие в каждом цикле измерения варианты решений по: 1) обработке сигналов измерительной информации- 2) определению вариантных оценок измеряемой величины- 3) идентификации градуировочной характеристики- 4) выработке режимов и управляющих воздействий в подсистеме реализации тестов.

Многовариантные технологические измерения — многовариантные структуры, средства и системы, особенно в виде многовариантных методов и способов измерения, моделей измерения, первичных и вторичных преобразований динамических сигналов.

Вариантность технологическш измерений — комплексная реализация многих вариантов технологических измерений с их эффективным взаимосовмещением и взаимодействием по всем функциям и видам обеспечения.

20 х — измеряемая величинахм~ мера измеряемой величиныV х — оценка измеряемой величины- §-х — требуемая точность измеренийу — измеренное значение величины (измеренный сигнал) — г — сигнал измерительной информации;

Ох — диапазон изменения измеряемой величины, Лх=[хт1П-хтах]- ГХ — градуировочная характеристика ИС, у = Б (х);

— поддиапазон изменения измеряемой величины нау'-том участке ГХ при ее кусочной аппроксимации, у-1,2,. т — количество участков кусочной аппроксимации ГХГХ" 1 — обратная градуировочная характеристика ИС, х = Г" 1 (у) — ДГХ — дифференциальная градуировочная характеристика, с1у1с1х = Р'(х) — ДГХ" 1 — обратновыраженная дифференциальная градуировочная характеристика, с1у/с1х = Г, 1(у) — РГХ — неявная разностная градуировочная характеристика,.

РГХ" 1 — неявная разностная обратная градуировочная характеристика, у = Я" 1 (г) в — образцовое (тестовое) воздействие;

Лвых погрешность результата измерения, приведенная к выходу ИСДвх — погрешность результата измерения, приведенная ко входу ИСг — непрерывная переменная времени;

1 = 1/Д1 — дискретная переменная времени;

Д1 — шаг дискретизации времени;

Т — конечный интервал (отрезок) времени;

ИС — измерительная система;

ИУ — измерительное устройство;

ИП — измерительный преобразователь;

РИ — результат измерения;

ПОДС-система — система помехозащищенной обработки динамических сигналов;

СФ — сглаживающий фильтр;

АПФ, ЦПФ — аналоговый и цифровой противоподменный фильтр соответственно;

ЦКФ — цифровой корректирующий фильтрДЕЦ — дециматор цифровых сигналовУВХ — устройство выборки и хранения;

Основные выводы по работе:

1. Сформулированы предпосылки совершенствования методов и способов измерения физических величин, а также постановок и решений конкретных задач метрологического обеспечения систем технологических измерений со встроенными метрологическими блоками.

2. Показана эффективность нового класса идентификационно-тестовых измерительных систем с многовариантной алгоритмической обработкой данных. Эти системы позволяют совмещать поверочные и рабочие измерения, обеспечивать уменьшение трудовых затрат на обслуживание и оперативное накопление достоверной информации об их фактических характеристиках.

На базе идентификационно-тестовых методов измерения разработаны и испытаны способы и устройства применительно к расходу больших масс, а также расходов газообразных и жидких сред.

3. Доказано, что новый способ дельта-идентификации метрологических характеристик с использованием естественных свойств изменения измеряемых величин либо с управляемым формированием необходимых свойств, позволяет получить требуемые результаты измерения и необходимые аппроксимации метрологических характеристик средств измерения во всем рабочем диапазоне.

4. Сформированный комплекс многовариантных помехозащищенных алгоритмов сглаживания (оценивания трендовых составляющих сигналов), выделения информативных участков и оценивания информативных параметров измерительных сигналов позволяет существенно повысить точность измерений.

5. Конкретные инженерные решения по встроенным метрологическим установкам (блокам) для аналоговых и аналого-цифровых систем измерения технологических параметров металлургического производства, а также новые технические цели и способы измерения позволяют сформировать ряд новых изобретений.

6. Разработанный учебно-испытательный комплекс «Метролог» целесообразно использовать как инженерный инструмент для исследования и освоения методов измерения, а также для повышения квалификации не только студентов, аспирантов, но и производственников. В рамках этого комплекса можно ставить и решать типовые задачи промышленной метрологии, в том числе и учебные задачи (образного динамического представления и классификации методов измерения масс, идентификационно-тестовой метрологической диагностики, совместной дискретизации динамических сигналов и преобразований, совместного выбора и настройки АЦП и противоподменных фильтров, противоинерционной коррекции динамических сигналов,.

241 многокритериального выбора метрологических решений и др.).

7. Эффективность конкретных разработок в русле идентификационно-тестовых методов подтверждены испытаниями с использованием автоматизированного лабораторного комплекса «Доза» в составе УИК «Метролог», а также опытно-промышленной эксплуатацией в весодозирующих системах электросталеплавильного и доменного цехов ОАО КМК. Точность оценивания массы при порционном дозировании с нанесением тестовых воздействий (в виде дополнительного образцового груза) увеличивается в 2−5 раза по сравнению с традиционной действующей системой.

8. Применение разработанных способов измерения и программно-технических решений повышает точность и гибкость информационно-измерительных систем в черной металлургии и других отраслях промышленности, а также эффективность учебно-исследовательской деятельности в области промышленной автоматизации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.