Информационно-моделирующая система оценки нестабильности функционирования доменной печи

Введение

Целью создания информационных систем и систем управления доменными печами является разработка эффективной системы управления, которая обеспечивает стабильную работу производства при минимальных затратах, учитывает требования технологии и особенности оборудования. Для развития автоматизированной системы анализа параметров работы отдельных печей и доменного цеха разрабатывается информационно-моделирующая система оценки нестабильности функционирования доменных печей [1].

Влияние колебаний состава шихты [2 – 4] и параметров плавки [5 – 7] на показатели работы доменной печи обусловлено тем, что вызванные колебания состава и температуры чугуна, а также потери напора газа в столбе шихты способствуют выходу отдельных величин за пределы ограничений, обусловленных требованиями к составу чугуна, а также необходимостью поддержания ровного хода печи при любых колебаниях параметров противотока [8; 9]. Группа факторов, непосредственно влияющих на тепловое состояние печи, температуру и состав чугуна: содержание железа в шихте, влажность и зольность кокса, температура и влажность дутья, расход природного газа, соотношение масс загружаемых железорудных материалов и кокса и их распределение на колошнике [10 – 12]. Колебания указанных параметров приводят к колебаниям теплового баланса печи и соответствующим отклонениям от средних значений содержания кремния в чугуне и его температуры. Появление нестабильности процесса плавки при использовании железорудного сырья с изменяющимся химическим составом существенно снижает качество жидких продуктов доменной плавки. Так, согласно справочным данным [5] снижение колебаний основности агломерата (CaO/SiO₂) на ±(0,075 – 0,100) ед. сопровождается увеличением производительности доменной печи на 1,5 % и снижением удельного расхода кокса на 0,8 %.

Общая величина возможного эффекта от уменьшения колебаний параметров доменной плавки оценивается экономией кокса 5 – 6 % и приростом производительности 9 – 10 %. Снижение среднеквадратичного отклонения содержания железа в шихте на 0,1 % приводит к экономии кокса 0,28 % при увеличении производительности на 0,29 % [2]. К организационным факторам технологии относятся, в частности, остановки, тихий ход доменных печей, ритмичность загрузки шихты и выпуска жидких продуктов плавки. Влияние ряда отдельных организационных факторов изучены недостаточно, и оценивать их влияние предложено на основе эмпирических данных [13 – 15]. К ним относятся: механические и физико-химические свойства сырья и кокса, газораспределение в печи и др. Для такой оценки требуется дальнейшее изучение и развитие математического описания процесса.

Однако существующие системы часто оказываются недостаточно точными или не могут в полной мере учитывать все факторы, влияющие на стабильность процесса. Это делает необходимым создание информационно-моделирующих систем, способных учитывать множество переменных и оперативно анализировать нестабильность работы доменных печей.

Алгоритмическое обеспечение
информационно-моделирующей системы

Для оценки стабильности процесса разработаны следующие основные интегральные показатели (B₁):

1. Технико-экономические и технологические показатели плавки (В₁).

2. Показатели свойств сырья (железорудных материалов, кокса, флюсов) (В₂).

3. Показатели дутьевого и газодинамического режимов (В₃).

4. Показатели теплового режима (В₄).

5. Показатели шлакового режима (В₅).

6. Интегральный показатель стабильности работы доменной печи по В₃, В₄, В₅, характеризующий дутьевой, газодинамический, тепловой и шлаковый режимы (В_ДП).

7. Итоговый показатель стабильности свойств сырья и работы доменной печи (В_итог).

При этом виды признаков и их количество определяются видом интегрального показателя.

Для оценки стабильности процесса, кроме контролируемых параметров, используется и комплекс расчетных параметров, характеризующих дутьевой, газодинамический, тепловой и шлаковый режимы, технологические параметры доменной плавки, представленные в работах [16 – 18].

Ориентировочное количество признаков для оценки каждого из интегральных показателей представлено в таблице.

За заданный интервал времени работы доменной печи для расчета каждого из интегральных показателей (B₁) в качестве исходных данных используются среднеквадратичные отклонения контролируемых и расчетных признаков ΔX_i.

При стабильном режиме работы среднеквадратичное отклонение i-го признака ΔX_i, характеризующего стабильность работы печи в заданном периоде, не должно превышать допустимого значения \(\Delta X_i^{{\rm{доп}}}\), которое является настройкой модели:

Если условие (1) выполняется («Истина»), то значению i-го идентификатора признака Р_i присваивается значение «1», в противном случае («Ложь») – значение «0». При этом все признаки ранжируются. Каждому из них присваивается значение его ранга R_i, изменяющегося в диапазоне от «0» до «1», определяемого методом экспертного оценивания.

Вероятность стабильности работы доменной печи по каждому j из указанных интегральных показателей B_j рассчитывается по следующему соотношению:

где n – количество признаков каждого из интегральных показателей B_j.

Если вероятность B_j более 80 % (нормативно-справочная информация), то по данному интегральному показателю наблюдалась стабильность работы доменной печи.

Если вероятность B_j находится в диапазоне от 60 до 80 %, то присутствует нестабильность работы доменной печи по данному интегральному показателю.

Если вероятность B_j менее 60 %, то доменная печь работала нестабильно по данному интегральному показателю.

Для определения итоговых критериев, характеризующих стабильность условий и работу доменной печи, рассчитываются следующие интегральные показатели:

– интегральный показатель стабильности работы доменной печи В_ДП (по показателям В₃, В₄, В₅), характеризующий дутьевой, газодинамический, тепловой, шлаковый режимы:

– итоговый показатель стабильности работы печи:

Основные требования к системе

Основные требования к системе:

– автоматизация сбора данных: система должна собирать данные о параметрах работы доменной печи в режиме реального времени;

– оперативная визуализация: система должна предоставлять результаты анализа в виде графиков, таблиц и диаграмм, понятных технологическому персоналу;

– простота интеграции с другими системами: разработанная система должна быть легко интегрирована в существующие системы управления предприятия.

Функциональное моделирование
информационно-моделирующей системы

При проектировании информационной системы использованы методология функционального моделирования и графическая нотация метода структурного анализа и проектирования IDEF0. В основе IDEF0 лежит методология структурного анализа и проектирования SADT (Structural Analysis and Design Technique) [19 – 21]. Модель, разработанная с использованием пакета Ramus Educational [21], содержит более 50 блоков на четырех уровнях декомпозиции, которые определяют основные функции и взаимосвязи между отдельными функциональными блоками системы, управляющие воздействия и механизмы выполнения каждой функции.

Архитектура информационно-моделирующей системы

Архитектура разработанной информационно-моделирующей системы оценки нестабильности функционирования доменной печи представлена на рис. 1. Информационно-моделирующая система разбита на небольшие независимые блоки – модули, которые реализуют функционально законченные фрагменты программы. Данный подход обусловлен возможностью обновления функционала программных модулей без необходимости во внесении изменений во всю систему, что делает ее более надежной и масштабируемой. Роль модулей выполняют математические библиотеки и классы [22].

Информационно-моделирующая система состоит из следующих модулей:

– модуль ввода допустимых значений среднеквадратичных отклонений параметров и их рангов \(\Delta X_i^{{\rm{доп}}}\), R_i;

– модуль расчета среднеарифметических значений и среднеквадратичных отклонений параметров, характеризующих: технико-экономические и технологические показатели плавки, свойства сырья (железорудных материалов, кокса, флюсов), дутьевой и газодинамический режимы, тепловой режим, шлаковый режим;

– модуль расчета вероятностей стабильности работы доменной печи по каждому j из интегральных показателей B_j, интегрального показателя стабильности работы доменной печи В_ДП и итогового показателя стабильности работы доменной печи В_итог;

– модуль анализа и представления результатов.

Анализ полученных результатов выполняется из расчетных модулей. Результаты отображаются в численном и графическом виде, имеется возможность формирования и экспорта отчета в файл формата Microsoft Excel.

Программная реализация
информационно-моделирующей системы

Программная реализация информационной системы выполнена с использованием «клиент-серверного» подхода с учетом возможностей интеграции с существующими программными продуктами, используемыми на предприятии, и обмена данными с использованием программного интерфейса API (Application Programming Interface) [23]. Клиент-серверная архитектура представляет собой классическую трехзвенную архитектуру, состоящую из уровня представления, уровня приложения и уровня данных.

Уровень представления реализован с помощью высокоуровневых языков программирования JavaScript, языка гипертекстовой разметки HTML5 и каскадных таблиц стилей CSS (Cascading Style Sheets). Визуальное оформление выполнено с использованием фреймворка Bootstrap. Разработка пользовательского интерфейса выполнена с использованием фреймворка UmiJS и библиотек React, построение графиков осуществляется библиотекой Ant Design Charts. Данный уровень поддерживается с помощью вычислительных ресурсов пользователей – веб-браузеров.

Уровень приложения реализован на языке программирования C# на базе фреймворка ASP.NET Core MVC с использованием программной платформы .NET 8 [24]. ASP.NET Core выполняет конвейерную обработку запросов пользователей, части конвейера – это Middleware. Информационная система включает в себя Middleware обработки ошибок, Middleware аутентификации и авторизации, Session Middleware и Middleware Web API.

Middleware обработки ошибок позволяет системе сигнализировать о проблемах с программным обеспечением при возникновении исключительных ситуаций, а также продолжать свою работу и корректно отображать веб-страницы при ошибках подключения к базе данных, ошибках при выполнении алгоритмов расчета и т. д.

Middleware аутентификации служит для внедрения в разрабатываемую информационную систему стандартного механизма аутентификации и авторизации ASP.NET Identity, а также управления учетными записями.

Session Middleware обрабатывает временные данные пользователей, с которыми они работают во время использования системы.

Middleware Web API встраивает систему маршрутизации, систему внедрения зависимостей, а также привязку моделей и валидацию данных.

Уровень данных состоит из базы данных и программы для управления доступом для чтения и записи в базе данных. В качестве базы данных для разработанной системы используется СУБД PostgreSQL. Связь системы с базой данных осуществляется с помощью технологии Entity Framework Core, которая, в свою очередь, использует технологию программирования ORM (Object-Relational Mapping), применяемую в объектно-ориентированных языках программирования для создания виртуальных схем баз данных. Она позволяет манипулировать данными на уровне объектов или классов. Ввод исходных данных о работе доменной печи за период может осуществляться как через программный интерфейс и интеграцию с системами АСУ ТП доменных печей, так и вручную.

Описание функций программного обеспечения информационно-моделирующей системы

Разработанный программный модуль позволяет:

1. Выбирать нужные периоды работы с помощью календаря (возможность выбора продолжительности периода для усреднения данных – час, смена, сутки, неделя, выпуск).

2. Выбирать одну или несколько доменных печей, для которых будет выполняться анализ.

3. Проводить расчет средних значений комплекса показателей и их среднеквадратичных отклонений.

4. Получать результаты анализа в удобном виде (таблицы и гистограммы: каждая доменная печь может иметь свой цвет для базового и сравнительного периодов).

5. Получать уведомления, если значения за пределами допустимого диапазона (возможность настройки уведомлений для всех или для выбранных доменных печей).

На рис. 2 – 6 представлены фрагменты веб-страниц информационно-моделирующей системы с результатами моделирования оценки нестабильности работы доменной печи.
Результаты моделирования в рассматриваемом периоде показали стабильность работы при оценке технико-экономических и технологических показателей, свойств сырья, показателей дутьевого и газодинамического режимов, шлакового режима. При оценке теплового режима присутствовала нестабильность работы доменной печи. Значения интегральных показателей превышают 80 %, что показывает стабильность работы доменной печи.

Выводы

С использованием современных информационных технологий разработана информационно-моделирующая система оценки нестабильности функционирования доменной печи. Система обеспечивает автоматизированный сбор данных и их обработку, определяет комплекс параметров, характеризующих технико-экономические и технологические показатели плавки, свойства сырья, показатели теплового, дутьевого, газодинамического режимов и отработки жидких продуктов плавки.