Software & Systems

При управлении сложным технологическим объектом, например доменной печью, оператор отслеживает состояние совокупности параметров, различные сочетания которых характеризуют множество возникающих ситуаций. При этом опытный оператор руководствуется интуицией, осуществляя наработанные "правильные" стратегии, зафиксированные в технологических инструкциях, содержащих несколько сотен правил. Элементом стандартной методологии обучения операторов этим правилам и способам поддержания объекта в нормальном режиме функционирования становится компьютерный тренажер как один из наиболее эффективных и экономичных средств обучения и тестирования персонала, спо- собствующий усвоению и закреплению навыков управления в нештатных ситуациях с целью снижения числа аварий и сбоев вследствие ошибок оператора.

Представленный здесь тренажер состоит из графического интерфейса для визуализации процесса ведения объекта и управляющих параметров и из моделирующей части, в основу которой положена экспертная система-советчик по управлению ходом доменной печи. При функционировании экспертной системы (ЭС) данные поступают с датчиков, установленных на объекте, через систему сбора оперативной информации, а при использовании ЭС в режиме тренажера значения параметров вводятся с клавиатуры компьютера.

При создании и исследовании моделей сложных производственных процессов технологические аспекты процесса могут быть описаны в виде аналитических зависимостей на основе физико-химических законов и фундаментальных констант. Таковы, например, система управления и контроля доменной печи "Раутаруукки" (Финляндия) [1,2], система технических расчетов параметров доменного процесса "GO-STOP", созданная по лицензии фирмы "Кавасаки Стил Корпорейшн" (Япония) [3], система управления и планирования процессов производства стали "ОРАКУЛ" (Россия), тренажерный комплекс КТК-М для технологических процессов нефтепереработки и нефтехимии, разработанный СП ПЕТРОКОМ (Россия), и др.

При построении автоматизированных систем управления и контроля основой для выработки стратегии управления служат накопленный опыт и технологические инструкции, которые плохо формализуются и не могут быть описаны в виде строгих аналитических зависимостей. Современным решением данной проблемы является создание ЭС с базой знаний [4,10–12] отражающей качественные зависимости между параметрами процесса и управлением в терминах нечеткой логики. Примером подобного подхода является система оптимизации работы доменной печи "VAIRON" (Австрия) [5,6].

Концепция построения ЭС

ЭС строится на основе поведенческой логической модели технологического процесса, использующей понятия отклонения наблюдаемых параметров от нормы. Предполагается, что нормальные значения наблюдаемых параметров Xi определены "коридором" Xi0±D (рис. 1), в пределах которого Xi принимает значения "=" (равно).

За пределами этого коридора, если отклонение Δ< δ Xi принимает значения "<" (меньше) и ">" (больше), если Δ>δ, далее соответственно "[" (много меньше) и "]" (много больше). Таким образом, все наблюдаемые параметры "логизируются" в терминах пятизначной логики – [, <, =, >, ].

Логическая модель технологического процесса (ТП) представляет собой систему качественных зависимостей между X и U, где U – управляющие воздействия. По этой модели строится прогноз поведения ТП и рекомендации оператору по вмешательству в процесс с целью возврата его в нормальный режим эксплуатации (НРЭ).

В основе построения логической модели ТП лежат технологические инструкции и накопленный опыт технологов-экспертов, формализуемые в базе знаний ЭС. Ими же определяются "коридоры" нормальных значений наблюдаемых параметров для различных режимов эксплуатации. Для включения в модель расчетных параметров к ней подключаются соответствующие программы, опирающиеся на данные системы сбора оперативной информации (СОИ).

При отклонении ТП от НРЭ из-за влияния "помех" ЭС формирует совет оператору в виде указаний, какие из "рулей" (управляющие воздействия) в каком направлении следует изменить (увеличить, уменьшить), одновременно формируя прогноз поведе- ния ТП.

По поведенческой модели доменного процесса строится независимый от СОИ ТРЕНАЖЕР оператора доменной печи, позволяющий имитировать различные отклонения ТП от нормального режима эксплуатации. В этом случае реальные значения параметров имитируются вводом с клавиатуры компьютера любого текущего состояния объекта. Оператору следует так подобрать управляющие воздействия, чтобы перевести ТП в НРЭ. Такой перевод, как правило, осуществляется за несколько шагов последовательным приближением к норме. ТРЕНАЖЕР предназначен для отработки различных режимов управления объектом, для обучения и тестирования оператора, обслуживающего технологический объект. Для описания всех возможных ситуаций на объекте предполагается создание базы сценариев обучения.

Модель доменной печи состоит из более 200 логических операторов, отражающих качественные зависимости "значения параметров – управляющие воздействия", а база знаний содержит более 200 правил (продукций).

Модель объекта

Модель доменной печи состоит из пяти компонент: энергетическая модель шихты, тепловая модель горна, модель каупера, модель перепадов давления, модель газораспределения.

Эти модели базируются на представлении содержимого печи (шихты) в виде столба последовательно сменяющихся сверху вниз слоев. Высота одного слоя, а следовательно, и число слоев, определяется количеством материала, переплавляемого в чугун, за такт моделирования.

Под столбом шихты находится зона горения (горн), под которой накапливаются шлак и чугун. К горну подводится смесь вдуваемого воздуха, кислорода и природного газа. Энергетическое состояние нижнего слоя оказывает влияние на энергетическое состояние горна. Загрузка шихты осуществляется сверху через засыпной аппарат. В зависимости от системы загрузки (Кокс-Руда-Кокс-Руда, Кокс-Кокс-Руда-Руда и пр.) формируется газопроницаемость столба шихты в целом.

Энергетическая модель шихты определяется отклонением рудной нагрузки от нормы и суммирующейся с ней помехой на колошнике, которая может зависеть от влажности кокса, руды или других факторов. С задержкой, равной числу слоев, энергетическая составляющая последнего слоя поступает в тепловую модель горна.

В тепловой модели горна суммируется тепловая энергия нижнего слоя шихты с вдуваемой энергией. Повышение температуры дутья способствует ускорению реакций горения и, следовательно, увеличению температуры горна. В тепловой модели горна принято: увеличение расхода дутья и его влажности приводят к снижению энергии горна. Увеличение температуры дутья и вдувание газовой смеси приводят к увеличению энергии. С задержкой на один такт энергия отображается в температуру нагрева печи (горна).

Модель каупера в системе представлена таблицей зависимости результирующей температуры дутья от требуемой температуры дутья и температуры каупера.

Модель перепада давления и скорости схода шихты. Доменная печь представляет собой противоточный реактор, в котором движение газового потока обеспечивается его избыточным давлением на входе снизу. Газовый поток пронизывает столб шихтовых материалов, находящихся в различных агрегатных состояниях.

Шихта имеет слоевую структуру, где чередуются газопроницаемые (коксовые) и газонепроницаемые (рудные) слои, геометрическими характеристиками которых можно управлять.

Перепад давления определяется как произведение величины, обратной проницаемости шихты, и расхода дутья.

Скорость схода шихты считается пропорциональной расходу дутья и обратно пропорциональной температуре горна.

Модель газораспределения. Распределение газов в доменной печи существенно зависит от используемой системы загрузки, характера спуска и распределения материалов и пр. Распределение газовых потоков определяет значения относительных периферийных температур колошниковых газов.

Отклонение температур колошниковых газов от нормы в модели имитируется принудительно при помощи введенной помехи.

Модель управляющего (экспертного) блока

Данная модель (рис. 2) создавалась на основе технологической инструкции, по которой были определены правила управления тепловым состоянием печи. Приведем примеры таких правил.

1.   Для повышения температуры горна Т следует последовательно воспользоваться следующими рулями – температура (TD), влажность дутья (W), расход газовой смеси (GS), рудная нагрузка (RN), начиная с еще не использованного и устанавливая их в положение, соответствующее увеличению подводимой энергии.

2.   Для понижения температуры горна следует использовать те же рули, но в обратной последовательности.

3.   Нельзя использовать более одного руля одновременно, а каждый руль может изменяться на одну позицию (от значения = к значениям > или <, от значения > к значению = и от значения < к значению =).

Система управления ходом доменной печи представлена двумя не связанными между собой подсистемами, функционирование которых опирается на правила управления, полученные из технологической инструкции. Это подсистемы управления тепловым состоянием печи TU-RE и газораспределением PR.

В свою очередь, управление тепловым состоянием состоит из двух взаимосвязанных подсистем управления: нагревом (температурой горна Т) и перепадом давления (DP).

В базе знаний блок управления представлен двумя продукционными таблицами TU-RE и PR. Таблицы представлены в терминах принятой пятизначной нечеткой логики ([, <, =, >, ]) для всех переменных, кроме DE, для которой допустимы лишь значения <, =, >.

В первой таблице DP, Т и расход в текущий момент RT определяют желаемые с точки зрения эксперта расход R и приращение энергии DE, вводимой в печи на очередном интервале управления. Вторая таблица устанавливает порядок подключения источников энергии, если DE имеет значение >, и порядок их отключения, если DE имеет значение <.

Для целей построения тренажера между системой управления и моделью доменной печи включен коммутатор К, позволяющий при REG=1 вводить значения рулей с клавиатуры, а при REG=0 подключать систему управления, которая будет функционировать с того состояния, которое было достигнуто при ручном управлении с клавиатуры.

Сводная модель

Сводная модель доменной печи состоит из трех блоков: тепловой модели печи (TM-DP-V), управления тепловой моделью (U-TM-REG) и модели газораспределения вместе с управлением (PROJECT).

Модель скомпонована в виде логической схемы средствами конструктора ЭС [7], в составе которого имеется редактор формирования таблиц и табличных функций с произвольной символьной логикой, графический редактор для ввода и корректировки схем, средства компилятивного проектирования для получения композиций схем, средства имитационного моделирования [8,9], а также подсистема проектирования графического дизайна тренажера с возможностью формирования автономных тренажеров.

Приведенная модель создана методом восходящего проектирования, начиная с технологических таблиц нижнего уровня с последующей их композицией. При создании проекта на графическом редакторе или средствами компиляции автоматически формируется функциональное описание, по которому выполняется моделирование проекта с целью испытания сводной модели на предмет устойчивости и полноты управления. Средства моделирования предполагают задание для испытуемого объекта установок, которые характеризуют его начальное состояние. Моделирование осуществляется подачей тестового набора помех и рулей на вход исследуемой системы. Результатом моделирования является протокол наблюдения состояний, выдаваемый в графической дискретной форме.

Графический интерфейс тренажера

При запуске тренажера подсистема визуального отображения модели формирует графический экран, который разбит на несколько областей.

Крайний левый столбец экрана "Помехи" и "Рули" позволяет вводить значения помех и управляющих параметров. Второй столбец "Имена" содержит перечень имен отображаемых переменных модели. Переменные различных типов – помехи, состояния и "рули" выделены разными цветами. Дополнительно границы области состояний выделены горизонтальными линиями.

Далее следует область линейного протокола, состоящего из частей: "История | Текущее состояние | Прогноз". В последовательности столбцов "История" показаны все пройденные к данному моменту состояния и управления к ним. В столбце "Текущее состояние" отображается текущее состояние, к которому модель перешла в результате исполнения последнего шага управления.

Внизу справа расположены три управляющие кнопки: У – управление в пошаговом режиме, С – совет, как установить рули на данном шаге для вывода модели в норму, А – автоматический перевод модели в норму.

В правой части экрана может быть представлена область динамического протокола, где в графической фигуре наблюдаемым переменным отведены фиксированные области. Цвета этих областей зависят от значений соответствующих переменных. В процессе вывода «Истории» состояния обозначенных переменных изменяются синхронно с их изменением в линейном протоколе.

Режимы эксплуатации.

Режим У: позволяет задавать значения "помех" и значения рулей в левом столбце.

После исполнения первого шага модель перейдет в новое (быть может, ненормальное) состояние. Теперь можно устанавливать рули и выполнять следующий шаг.

Режим C: работает аналогично режиму У, но на каждом шаге высвечивает в столбце текущего состояния “правильные” значения рулей.

Режим А: из любого текущего состояния переводит параметры в норму за конечное число шагов при автоматически подобранном управлении.

Контрольные примеры используются для целей обучения и подтверждения правильной работы системы управления в автоматическом режиме.

Пример 1 – отрицательная энергетическая помеха в горне, вызванная резким похолоданием воздуха и увеличением его влажности, например, во время грозы.

После вызова тренажера установить значение помехи POMG < –"меньше" и нажать ENTER в режиме У. В результате температура горна снизится до значения <.

Установить режим А и нажать ENTER. Через один такт температура горна нормализуется за счет повышения температуры дутья (руль TD).

Пример 2 – поступление отрицательной энергии со стороны колошника за счет повышения влажности кокса и увеличения в верхнем слое рудной составляющей.

После запуска тренажера в режиме У установить значение POMK < –"меньше" и нажать ENTER, в результате чего "похолодает" верхний слой шихты в разрезе печи, а температура горна останется неизмененной.

Перевести тренажер в режим А и нажать ENTER. Через 6 тактов температура горна сначала упадет, а затем восстановится за счет увеличения температуры дутья (TD).

Повторить этот пример при значении POMK – "больше".

Пример 3 – комбинация помех POMG и POMK при совпадающих и противоположных значениях.

В режиме У установить значения POMG и POMK "меньше" и нажать ENTER.

Перевести в режим А и нажать ENTER. Нормальный режим установится через 7 тактов за счет использования рулей TD (температура дутья) и W (влажность).

Повторить пример при значениях POMG "меньше" и POMK "больше". Обратить внимание на установившийся "нормальный" режим при "нормальных" положениях рулей за счет компенсирующего действия помехи снизу на помеху сверху.

Пример 4 – пониженное значение проницаемости шихты за счет излишней загрузки мелочи.

После вызова тренажера установить PRON "меньше" в режиме У и нажать ENTER. Установится повышенное значение общего перепада давления DP.

Перейти в режим А и нажать ENTER. Через один такт установится "нормальный" режим за счет снижения расхода дутья (руль R) и снижения температуры дутья (руль TD).

Обратить внимание, что при повышении проницаемости шихты (PRON "больше") авторегулятор в режиме А оставляет ситуацию неизменной.

Пример 5 – Самый "горячий" режим, при котором POMG и POMK принимают значения "больше", а PRON принимает значение "меньше", то есть все помехи действуют одновременно в сторону увеличения температуры.

В этом варианте нормальный режим восстанавливается из-за отсутствия здесь возможности присвоения помехам колошника и горна значений "много больше".

Список литературы

1.   Ахолла Т., Калло С. Развитие технологий производства чугуна на металлургическом заводе RAUTARUUKKI STEEL // Металлург, 1999. - №11. - С.55–59.

2.   Экспертная система доменных печей "РАУТАРУУККИ–КАВАСАКИ" // RAUTARUUKKI ENGINEERING. FIN – 90101 OULU, FINLAND.

3.   Система управления и контроля доменной печи "РАУТАРУУККИ" // RAUTARUUKKI ENGINEERING. FIN – 90101 OULU, FINLAND.

4.   KEK.P. Значение измерительной техники для обеспечения надежности процессов // Черные металлы. – Июнь, 1995. - С. 26–31.

5.   Друкентанер Г., Шюрц Б., Шалер М., Бруннбауэр Г., Лазингер Ф., Руммер Б. Система оптимизации работы доменной печи "VAIRON" – экспертная система // Черные металлы. – Июнь, 2000. - С. 64–72.

6.   Друкентанер Х., Штол К., Шюрц Б. Автоматизация доменных печей ФАИ – эффективное решение для достижения максимальной экономичности производства // Тр. междунар. конгресса специалистов по доменным печам. (Магнитогорск, 9–12 сентября 1997 г.)

7.   Захарова Г.Б., Майборода В.В., Чистов В.П., Шаки- ров Р.Н. Конструктор для формирования экспертных советующих систем управления производственными объектами // Докл. тематич. Конгресса: Информационная проблематика нечетких технологий. - Екатеринбург, 1996. - С. 74-78.

8.   Захарова Г.Б., Кононенко И.А. Методология проектирования и моделирования дискретных управляющих и вычислительных систем. - Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 140 с.

9.   9.Захарова Г.Б., Кононенко И.А., Титов В.Г., Невесенко Н.В., Чистов В.П. Средства проектирования систем в многозначных логиках // Proceedings of Fourth International Conference "Computer-Aided Design of Discrete Devices CAD DD'2001. Minsk, Nov. 13-15, 2001. V.2, pp.66-73.

10.Chistov V.P., Zaharova G.B., Kononenko I.A., Titov V.G. The Domain Process Advice Expert System // Proceedings of the International Conference "Interactive Systems: the Problems of Human-Computer Interaction", September 23-27, 2001, Ulyanovsk, Russia.

11.Лисиенко В.Г., Морозова В.А., Дружинина О.Г., Пареньков А.Е., Чистов В.П., Захарова Г.Б., Кононенко И.А. Экспертные логические системы диагностики аварий на примере агрегатов, выплавляющих чугун // Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии. - Тр. Всерос. науч.-практ. конф.: Информационные технологии в металлургии. (Новокузнецк, 2-6 апреля 2001).

12.Чистов В.П., Захарова Г.Б., Кононенко И.А., Лисие-нко В.Г., Пареньков А.Е., Морозова В.А., Дружинина О.Г. Разработка логических моделей для экспертного управления сложными энерготехнологическими объектами и их использование в системах диагностики аварий на примере агрегатов, выплавляющих чугун // Изв. академии инженерных наук РФ. Москва – Нижний Новгород, 2001. - С. 151 – 163.