Система управления доменной плавкой

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к устройствам контроля и управления работой доменной печи, и используется при ее реконструкции для комплексной автоматизации и оптимизации процесса доменной плавки. Система управления доменной плавкой включает подсистему шихтоподачи, подсистему собственно доменной печи и подсистему блока воздухонагревателей. Подсистемы содержат функциональные элементы контроля, функциональные элементы управления и объединены комплексом технических средств измерения и комплексом технических средств управления. Система управления снабжена подсистемой цехового производства с первыми автоматизированными рабочими местами и подсистемой агрегатного производства со вторыми автоматизированными рабочими местами. Третьими автоматизированными рабочими местами снабжен комплекс технических средств измерения. Первые информационные входы комплекса технических средств измерения соединены с выходами функциональных элементов контроля подсистем шихтоподачи, собственно доменной печи и блока воздухонагревателей, третьи выходы - с первыми информационными входами подсистемы агрегатного производства. Первые выходы подсистемы агрегатного производства соединены с первыми информационными входами подсистемы цехового производства. Первые выходы подсистемы цехового производства соединены с третьими информационными входами подсистемы агрегатного производства. Третьи выходы подсистемы агрегатного производства соединены с третьими информационными входами комплекса технических средств измерения. Первые выходы комплекса технических средств измерения соединены с управляющими входами комплекса технических средств управления. Выходы комплекса технических средств управления соединены с управляющими входами функциональных элементов управления подсистем шихтоподачи собственно доменной печи и блока воздухонагревателей. Информационные входы и выходы первых, вторых и третьих автоматизированных рабочих мест соединены со вторыми выходами и со вторыми информационными входами подсистемы цехового производства, подсистемы агрегатного производства и комплекса технических средств измерения соответственно. Изобретение позволяет улучшить технико-экономические показатели работы печи. 2 ил.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к устройствам контроля и управления работой доменной печи, и может быть использовано при ее техническом перевооружении и реконструкции для комплексной автоматизации и оптимизации процесса доменной плавки.

Известны системы управления отдельными режимами работы доменной печи, которые характеризуются локальной формой функционирования (В.А. Смоляк, Б.В. Щербицкий. Автоматизация и оптимизация процесса доменной плавки. М "Металлургия", 1974, с. 7-103). На входы известных систем управления поступает текущая информация, характеризующая в данный момент времени соответствующий режим работы доменной печи, и заданная характеристика этого режима работы печи. При этом отдельная система управления вырабатывает воздействие, при котором в конечном итоге происходит стабилизация определенной характеристики режима работы печи.

Система управления состоит из нескольких локальных подсистем, для каждой из которых устанавливается критерий определения регулирующего воздействия, при котором установленный режим работы печи должен находиться в условиях стабилизации. При функционировании известной системы управления, состоящей из локальных подсистем, доменная печь работает эффективно за счет стабилизации параметров доменной плавки.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является система управления доменной плавкой (В. П. Саклаков, A.З. Лукашов. Развитие АСУ металлургическим предприятием. "Металлургия", 1987, с. 41-50), которая включает в себя подсистему шихтоподачи, подсистему собственно доменной печи и подсистему блока воздухонагревателей, содержащие функциональные элементы контроля и управления и объединенные комплексом технических средств измерения и комплексом технических средств управления.

Известная система управления охвачена отдельными контурами управления, которые обеспечивают возможность перестройки технологических режимов работы доменной печи. Такая возможность возникает в результате решения прикладных задач в каждом контуре управления и осуществляется путем сбора данных о процессе выплавки с учетом нескольких тысяч источников информации. Все это позволяет мастеру печи проводить комплексную оценку процессов доменной плавки, при наличии выданной на печать информации воздействовать на отдельные режимы работы печи с предварительной корректировкой уставок задания параметров этих режимов работы.

Между тем, в условиях совершенствования методов ведения доменной плавки и возникновения задач уменьшения себестоимости и повышения качества целевого продукта плавки возникают проблемы реализации в целом работы печи в автоматическом режиме функционирования системы управления. В этой связи требуется разработка системы управления с интегрированным подходом в комплексной форме ее функционирования с учетом общих критериев оценки режимов работы доменной печи. При этом регулирующее и управляющее воздействия должны одновременно распространяться через контуры управления на локальные элементы подсистем управления в автоматическом режиме работы системы в целом.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение данного изобретения, является улучшение технико-экономических показателей работы доменных печей за счет повышения эффективности функционирования средств контроля и управления и одновременного обеспечения при этом возможности совершенствования автоматизации и оптимизации процессов доменной плавки.

Поставленная задача выполняется тем, что согласно известной системе управления доменной плавкой, включающей подсистему шихтоподачи, подсистему собственно доменной печи и подсистему блока воздухонагревателей, указанные подсистемы содержат функциональные элементы контроля, функциональные элементы управления и объединены комплексом технических средств измерения и комплексом технических средств управления. Согласно предлагаемому изобретению система управления дополнительно снабжена подсистемой цехового производства с первыми автоматизированными рабочими местами и подсистемой агрегатного производства со вторыми автоматизированными рабочими местами, а третьими автоматизированными рабочими местами снабжен комплекс технических средств измерения, первые входы которого соединены с выходами функциональных элементов контроля подсистем шихтоподачи собственно доменной печи и блока воздухонагревателей, а третьи выходы - с первыми входами подсистемы агрегатного производства, первые выходы которой соединены первыми входами подсистемы цехового производства, первые выходы которой соединены с третьими входами подсистемы агрегатного производства, третьи выходы которой соединены с третьими входами комплекса технических средств измерения, первые выходы которого соединены с выходами комплекса технических средств управления, выходы которого соединены с входами функциональных элементов управления подсистем шихтоподачи, собственно доменной печи и блока воздухонагревателей, а входы и выходы первых, вторых и третьих автоматизированных рабочих мест соединены со вторыми выходами и со вторыми входами подсистемы цехового производства, подсистемы агрегатного производства и комплекса технических средств измерения соответственно.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая система управления доменной плавкой отличается наличием новых функциональных элементов - подсистемами агрегатного производства, цехового производства и первыми, вторыми и третьими автоматизированными рабочими местами.

При этом новые элементы системы не имеют самостоятельного значения, так как не обладают качеством универсального функционирования и могут быть использованы лишь как составная часть заявленного технического решения для обеспечения высокой степени автоматизации и оптимизации процессов доменной плавки.

Кроме того, сравнение заявленного технического решения с прототипом показывает наличие новых межблочных связей, имеющих большую гибкость, что наряду с новыми элементами позволило установить соответствие критерию изобретения "новизна".

Указанные новые элементы заявляемой системы управления не выявлены в аналогичных технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, наряду с признаками наличия новых межблочных связей обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию изобретения "изобретательский уровень".

На фиг.1 и 2 представлены соответственно функциональная структура системы управления доменной плавкой и структурная схема комплекса технических средств контроля и управления доменной плавкой.

На чертеже изображено: 1 - подсистема шихтоподачи; 2-1, 2-2,..., 2-n - функциональные элементы контроля подсистемы шихтоподачи (n - число элементов); 3-1, 3-2,..., 3-n - функциональные элементы управления подсистемы шихтоподачи; 4 - подсистема собственно доменной печи; 5-1, 5-2,..., 5-n - функциональные элементы контроля подсистемы собственно доменной печи, 6-1, 6-2, ..., 6-n - функциональные элементы управления подсистемы собственно доменной печи; 7 - подсистема блока воздухонагревателей; 8-1, 8-2,..., 8-n - функциональные элементы контроля подсистемы блока воздухонагревателей; 9-1, 9-2, ..., 9-n - функциональные элементы управления подсистемы блока воздухонагревателей; 10 - комплекс технических средств измерения; 11-1, 11-2,..., 11-n - третьи автоматизированные рабочие места комплекса технических средств измерения (n - число рабочих мест); 12 - комплекс технических средств управления; 13 - подсистема агрегатного производства; 14-1, 14-2,..., 14-n - вторые автоматизированные рабочие места подсистемы агрегатного производства; 15 - подсистема цехового производства; 16-1, 16-2,..., 16-n - первые автоматизированные рабочие места подсистемы цехового производства; 17 - контроллер; 18 - монитор; 19 - принтер; 20 - сервер; 21 - концентратор и 22, 23, 24 - вычислительные сети.

Система управления (фиг.1) содержит подсистему шихтоподачи 1, подсистему собственно доменной печи 4 и подсистему блока воздухонагревателей 7.

Составной частью каждой из подсистем 1,4 и 7 служат функциональные элементы контроля соответственно 2-1, 2-2,..., 2-n, 5-1, 5-2,..., 5-n и 8-1, 8-2, . . ., 8-n и функциональные элементы управления 3-1, 3-2,..., 3-n, 6-1, 6-2, . . ., 6-n и 9-1, 9-2,..., 9-n, представляющие собой отдельные элементы объекта управления, оснащенные первичными датчиками контроля и исполнительными органами управления. Эти датчики контроля связаны с комплексом технических средств измерения 10, первые выходы которого подключены ко входам комплекса технических средств управления 12, в свою очередь связанного с вышеназванными исполнительными органами управления. Вторые выходы и вторые входы комплекса технических средств измерения 10 подсоединены соответственно к входам и выходам третьих автоматизированных рабочих мест 11-1, 11-2,..., 11-n, а третьи выходы - к первым входам подсистемы агрегатного производства 13, вторые выходы и вторые входы которой подсоединены соответственно ко входам и выходам вторых автоматизированных рабочих мест 14-1, 14-2,..., 14-n. Третьими выходами подсистема агрегатного производства 13 соединена с третьими входами комплекса технических средств измерения 10, а первыми выходами - с первыми входами подсистемы цехового производства 15, первые выходы которой подключены к третьим входам подсистемы агрегатного производства 13. Вторые выходы и вторые входы подсистемы цехового производства 15 подсоединены соответственно к входам и выходам первых автоматизированных рабочих мест 16-1, 16-2, ..., 16-n. Причем в целях расширения функционирования системы управления можно использовать первые входы и первые выходы подсистемы цехового производства 15 для подключения системы управления другими печами доменного цеха.

Подсистемы шихтоподачи 1 собственно доменной печи 4 и блока воздухонагревателей 7 с функциональными элементами контроля соответственно 2-1, 2-2, . . . , 2-n; 5-1, 5-2,..., 5-n и 8-1, 8-2,..., 8-n и управления соответственно 3-1, 3-2,..., 3-n; 6-1, 6-2,..., 6-n и 9-1, 9-2,..., 9-n выполнены на базе комплекса технических средств измерения 10 с третьими автоматизированными рабочими местами 11-1, 11-2,..., 11-n и комплекса технических средств управления 12 (фиг.1) и содержат контроллеры 17, мониторы 18 и принтеры 19, объединенные в вычислительные сети 22 (фиг.2).

Функциональные элементы контроля 2-1, 2-2,..., 2-n и управления 3-1, 3-2, . .., 3-n подсистемы шихтоподачи 1 (фиг.1) содержат соответственно первичные датчики контроля с преобразователями и исполнительными органами управления, связанными с исполнительными механизмами, усилителями мощности и объединенные контроллерами 17 (фиг.2). Первичными датчиками и исполнительными органами оснащены приемные бункеры, конвейеры, грохоты и весовые воронки компонентов шихтовых материалов нижней системы загрузки, а также главный подъем или главный конвейер и засыпное устройство верхней системы загрузки шихтовых материалов шихтоподачи.

Функциональные элементы контроля 5-1, 5-2,..., 5-n и управления 6-1, 6-2,..., 6-n подсистемы собственно доменной печи 4 (фиг.1) содержат соответственно первичные датчики контроля с преобразователями и исполнительными органами, связанными с исполнительными механизмами, усилителями мощности и объединенными контроллерами 17 (фиг.2). Первичными датчиками и исполнительными органами оснащены тракты дутья, топлива при вводе в воздушные фурмы, промпроводки для воды на систему охлаждения печи, кислорода, пара, азота сжатого воздуха и т.д., а также оснащены по высоте и сечению колошника, газоотводов, шахты, распара, заплечиков, горна, в том числе воздушных фурм и металлоприемника, лещади и литейного двора доменной печи.

Функциональные элементы контроля 8-1, 8-2,..., 8-n и управления 9-1, 9-2, . .., 9-n подсистемы блока воздухонагревателей 7 (фиг.1) содержат соответственно первичные датчики контроля с преобразователями и исполнительные органы с усилителями мощности, исполнительными механизмами и объединенными контроллерами 17 (фиг. 2). Первичными датчиками и исполнительными органами оснащены тракты доменного и природного газов, а также воздуха горения с вентилятором, боров, дымовая труба, камера горения, купол, насадка и поднасадочное устройство каждого воздухонагревателя.

Подсистема агрегатного производства 13 (фиг.1) первыми входами и третьими выходами подключена соответственно к третьим выходам и к третьим входам комплекса технических средств измерения 10, первыми выходами и третьими входами - к первому входу и первому выходу подсистемы цехового производства 15, а вторые входы и вторые выходы - к выходам и входам вторых автоматизированных рабочих мест 14-1, 14-2,..., 14-n. Подсистема агрегатного производства 13 со вторыми автоматизированными рабочими местами 14-1, 14-2,..., 14-n (фиг. 2) содержит персональные компьютеры с мониторами 18 и принтерами 19 и сервер 20, объединенные вычислительной сетью 23, и через концентратор 21 и вычислительную сеть 24 подключена к подсистеме цехового производства 15 (фиг.2).

Подсистема цехового производства 15 (фиг.1) первыми входами и первыми выходами подсоединена соответственно к первым выходам и третьим входам подсистемы агрегатного производства 13 и вторыми входами и вторыми выходами - к выходам и входам первых автоматизированных рабочих мест 16-1, 16-2,..., 16-n. Подсистема цехового производства 15 с первыми автоматизированными рабочими местами 16-1, 16-2,..., 16-n (фиг.2) содержит персональные компьютеры с мониторами 18 и принтерами 19 и сервер 20, объединенные через вычислительную сеть 23, и через концентратор 21 и вычислительную сеть 24 подсоединена к подсистеме агрегатного производства 13.

Элементная база комплекса технических средств измерения и управления предлагаемой системы управления доменной плавкой (фиг.2) может быть представлена, например, следующими средствами автоматизации.

В качестве первых, вторых и третьих автоматизированных рабочих мест 16-1, 16-2,..., 16-n, 14-1, 14-2,..., 14-n и 11-1, 11-2,..., 11-n могут быть использованы АРМ типа "TEXAS MICRO Р-233" или "TEXAS MICRO R-II"; контроллеров 17, например, программируемые логические контроллеры типа "MODICON QUANTUM или "МODISON PREMIUM" с первичной аппаратурой датчиков и преобразователей контроля температуры, расхода, давления, концентрации, массы, уровня и т.д - на базе стандартной продукции, выпускаемой отечественными и зарубежными предприятиями и фирмами; с аппаратурой управления, например, усилителя мощности - пускатель бесконтактный реверсивный типа ПБР и исполнительного механизма - механизм исполнительный электрический однооборотный типа МЭО, дисплея 18 - теша "AVDIN 20" или "SHAMROCK 20"; принтера 19 типа "EPSON LX1050" или "EPSON STILOS 1000"; серверов 20 - типа "HP NET SERVER LH2" или "HP NET SERVER LH3"; концентратора 21 - типа "3COM SUPER STAK"; вычислительных сетей 22 - типа "MODBUS PLUS" и вычислительных сетей 23 и 24 - типа "ETHERNET".

Предлагаемая система управления доменной плавкой (фиг.1 и 2) работает следующим образом.

При включении предлагаемой системы управления в режим функционирования в соответствии с программным обеспечением ЭВМ, например, персональных компьютеров с использованием третьих автоматизированных рабочих мест 11 и микропроцессорных программируемых контроллеров 17 формируется команда "Опрос". Эта команда "Опрос" поступает в функциональные элементы контроля 2, 5 и 8 соответственно подсистем шихтоподачи 1 собственно доменной печи 4 и блока воздухонагревателей 7.

Результаты этого опроса по многочисленным каналам первичных элементов, в частности от датчиков и специальных устройств получения информации о ходе технологических процессов функциональных элементов контроля 2, 5 и 8, поступают на входы преобразователей комплекса технических средств измерения 10. В комплексе технических средств измерения 10 результаты опроса преобразуются в электрические сигналы, которые затем превращаются в целый ряд информативных сигналов в форме цифровых кодов. При этом программируемые контроллеры 17 комплекса технических средств измерения 10 проводят операцию обработки технологической информации, в том числе от масштабирования до формирования необходимых пакетов информации, для последующего в соответствии с программой поступления ее на входы элементов предлагаемой системы управления.

Функциональные элементы контроля 2, 5 и 8 соответственно подсистем шихтоподачи 1 непосредственно доменной печи 4 и блока воздухонагревателей 7 предназначены для выполнения определенных задач при достижении и реализации системой управления поставленных целей.

Так, функциональные элементы контроля 2-1, 2-2, ..., 2-n подсистемы шихтоподачи 1 выполняют следующие функции: для нижней системы загрузки печи - контроль химсостава шихты на выходе из приемных бункеров; определение количества и уровня шихты в приемных бункерах, контроль скорости движения конвейеров; контроль режима работы и состояния грохотов; взвешивание компонентов шихты в весовых воронках и бункерах отсева мелочи и т.д.; для главного подъема или главного конвейера подачи шихты в загрузочное устройство - контроль среднего и конечного положения при движении скипов или индикации вида и положения шихтовых материалов на главном конвейере, контроль скорости перемещения скипов на рельсовом пути наклонного моста или движения главного конвейера, слабины канатов и положения барабана скиповой лебедки или режима работы и состояния главного конвейера и т.д.; для верхней системы загрузки - контроль режима работы вращающегося распределителя шихты, в том числе углы отработки; давления и расхода пара, подаваемого в межконусное пространство; слабины канатов лебедок механизмов конусного засыпного устройства; контроль положения лотка, контроль взвешивания шихты в приемных бункерах, режима работы безконусного засыпного устройства и т.д.

Функциональные элементы контроля 5-1, 5-2,..., 5-n подсистемы непосредственно доменной печи 4 выполняют следующие функции: для системы подачи дутья и топливных добавок в фурмы доменной печи - контроль давления, расхода, температуры, влажности дутья и природного газа; концентрации кислорода в дутье; распределения расходов дутья и природного газа по фурмам и т.д.; для системы подачи энергоносителей - контроль параметров для элементов системы охлаждения печи и промпроводок, в том числе природного газа, кислорода, пара, азота, сжатого воздуха и т.д.; для системы густой смазки механизмов - контроль цикличности работы станций смазки; контроль срабатывания реле предельного давления; контроль режимов работы станций смазки и т.д; для системы вентиляции - контроль режимов работы вентиляционных установок; для верха и низа печи - контроль температуры в газоотводах; уровня засыпи шихты, расхода, давления газа; температуры газа над уровнем засыпи на колошнике; общего, верхнего и нижнего перепадов давления газа в печи; скорости схода шихты; температур газа и шихты по периферии шахты; анализ газа под уровнем засыпи и т.д.

Функциональные элементы контроля 8-1, 8-2,..., 8-n подсистемы блока воздухонагревателей 7 выполняют следующие функции: контроль температуры и содержания компонентов отходящих газов; разрежения в дымовой трубе; давления и расхода смешанного газа и воздуха горения; температуры купола; наличия факелы; режима работы и состояния механизмов и клапанов воздухонагревателей и т. д.

Итак, после очередного опроса датчиков и спецустройств функциональных элементов контроля 2, 5 и 8 подсистем шихтоподачи 1 непосредственно доменной печи 4 и блока воздухонагревателей 7, имеющих перечисленные выше функции, в соответствии с программой функционирования системы управления комплекс технических средств измерения 10 с использованием контроллеров 17 и третьих автоматизированных рабочих мест 11, кроме обработки информации, производит формирование блокировок в виде дискретных сигналов для функционирования схем сигнализации, управления электрооборудованием и элементов предлагаемой системы управления.

При этом для визуализации и отображения хода доменной плавки и состояния оборудования информация представляется на мониторах 18 и принтерах 19 третьих автоматизированных рабочих мест 11-1, 11-2,..., 11-n в виде мнемосхем с цифровой индикацией, исторических трендов, таблиц, графиков и рисунков, удобных для диалога с обслуживающим персоналом и расположенных в помещении центрального пункта управления доменной печью.

Кроме того, комплекс технических средств измерения 10 формирует блокировки для автоматической сигнализации об отклонениях технологических параметров от заданных уровней в третьих автоматизированных рабочих местах 11 с регистрацией этих событий на мониторах 18 и принтерах 19 с оповещением обслуживающего персонала печи. Комплекс технических средств измерения 10 также наряду с организацией массивов информации, необходимых для обмена с другими подсистемами, формирует управляющие воздействия при отклонении текущих технологических параметров от заданных уровней.

При этом комплекс технических средств измерения 10 воздействует на комплекс технических средств управления 12 либо в дистанционном режиме управления с использованием обслуживающим персоналом третьих автоматизированных рабочих мест 11, либо в автоматическом режиме управления. Команда управляющего воздействия осуществляется контроллером 17 через усилитель мощности и исполнительный механизм комплекса технических средств управления 12 на исполнительные органы управления, например на регулирующие дроссели и затворы функциональных элементов управления 3, 6 и 9 подсистем шихтоподачи 1 непосредственно доменной печи 4 и блока воздухонагревателей 7.

Функциональные элементы управления 3, 6 и 9 подсистем шихгоподачи 1 непосредственно доменной печи 4 и блока воздухонагревателей 7 предназначены для выполнения задач при достижении и реализации поставленных целей с помощью системы управления.

Так, функциональные элементы управления 3-1, 3-2,..., 3-n подсистемы шихтоподачи 1 выполняют следующие функции: для нижней системы загрузки - управление выгрузкой шихты из вагонов в приемные бункеры; затворами приемных бункеров весовых воронок; грохотами; конвейерами, дозированием компонентов шихты, отсевом мелочи шихты; гидроуборкой и т.д.; для главного подъема или главного конвейера подачи шихты в загрузочное устройство - управление электроприводом скиповой лебедки, в том числе динамическим торможением, реверсированием, ускорением, замедлением, рабочими тормозами и т.д или управление главным конвейером при выгрузке шихты из весовых воронок и т.д.; для верхней системы загрузки - управление электроприводом вращающегося распределителя шихты; электроприводом конусной лебедки; уравнительными клапанами и т.д. или управление поступлением шихты в приемные бункеры; лотком безконусного загрузочного устройства и т.д.

Функциональные элементы управления 6-1, 6-2,..., 6-n подсистемы непосредственно доменной печи 4 выполняют следующие функции: для системы подачи дутья и топливных добавок - стабилизация параметров дутья, в том числе температуры, давления или расхода, влажности, концентрации кислорода; регулирование общего расхода природного газа; общего перепада давления газа в печи и т.д.

Функциональные элементы управления 9-1, 9-2,..., 9-n подсистемы блока воздухонагревателей 7 выполняют следующие функции: стабилизация давления воздуха горения; давления смешанного газа; регулирование соотношения расходов доменного и природного газов; управление циклами перекидки клапанов воздухонагревателей и т.д.

С каждым последующим опросом функциональных элементов контроля 2, 5 и 8 подсистем шихтоподачи 1 собственно доменной печи 4 и блока воздухонагревателей 7 цикл, описанный выше, повторяется с обновлением в комплексе технических средств измерения 10 массива информации, необходимого для обмена с элементами системы управления и формирования новых управляющих воздействий для комплекса технических средств управления 12 на функциональные элементы управления 3, 6 и 9.

Таким образом работает предлагаемая система управления в рамках функционирования на первом ее уровне, характеризующемся иформационно-управляющей "петлей", которая состоит из комплекса технических средств измерения 10; комплекса технических средств управления 12; функциональных элементов управления 3, 6 и 9, функциональных элементов контроля 2, 5 и 8 соответственно подсистем шихтоподачи 1 собственно доменной печи 4 и блока воздухонагревателей 7; комплекса технических средств измерения 10, третьих автоматизированных рабочих мест 11 и комплекса технических средств измерения 10. "Узловым" элементом информационно-управляющей "петли" первого уровня системы управления являются программированные контроллеры 17 комплекса технических средств измерения 10. Контроллеры 17 представляют информацию в удобном для технологического персонала виде о ходе процессов доменной плавки, а также о работе и состоянии оборудования на автоматизированных рабочих местах 11. Контроллеры 17 формируют массивы информации для последующего функционирования подсистем агрегатного производства 13 и цехового производства 15, а также вырабатывают управляющие воздействия для комплекса технических средств управления 12.

Предлагаемая система управления доменной плавкой на втором уровне функционирования характеризуется работой оптимизационно-управляющей "петли" и ее составляющей - подсистемой агрегатного производства 13 со вторыми автоматизированными рабочими местами 14-1,14-2,..., 14-n.

В соответствии с программным обеспечением функционирования предлагаемой системы управления пакеты сформированной в комплексе технических средств измерения 10 текущей информации о ходе доменной плавки, работе и состоянии оборудования подсистем шихтоподачи 1 непосредственно доменной печи 4 и блока воздухонагревателей 7 с помощью локальной вычислительной сети 22 от программируемых логических контроллеров 17 поступают с определенной частотой в сервер 20 баз данных реального времени подсистемы агрегатного производства 13.

Сервер 20 является ключевым элементом подсистемы 13 и занимает центральное место функционирования оптимизационно-управляющей "петли" предлагаемой системы управления. Сервер 20 выполняет следующие режимы работы подсистемы агрегатного производства 13: поступление информации от программируемых контроллеров 17; хранение мгновенной и усредненной информации в базах данных реального времени глубиной до одного месяца о работе доменной печи; обеспечение визуализации и отображение информации на мониторах 18 и принтерах 19 вторых автоматизированных рабочих мест 14-1, 14-2,..., 14-n в форме мнемосхем, таблиц, исторических трендов, гистограмм, отчетов и других технологических документов в соответствии с программой системы управления; решение задач и функций оптимизации; моделирования и формирования корректирующих уставок для локальных средств управления процессов доменной плавки, а также обеспечение долговременного хранения информации о работе печи в целом в виде рапортов, аналитических расчетов и отчетов в базах данных для административно-технического персонала доменного цеха.

Подсистема агрегатного производства 13 предназначена для решения определенных задач при достижении и реализации поставленных перед системой управления целей.

Так, для подсистемы шихтоподачи 1 на втором уровне управления реализуются, например, следующие функции оптимизационного характера: управление запасом шихты в приемных бункерах; последовательностью работы транспортеров; дозированием компонентов шихты с учетом влажности; точности и скорости набора в весовые воронки; набором компонентов, подач и циклов шихты по заданным программам; формированием столба шихты с помощью вращающегося распределителя шихты конусного засыпного устройства или лотка безконусного засыпного устройства; автоматическое управление работой шихтоподачи от импульса по уровню засыпи шихты; управление слоем шихты на главном конвейере; регулирование рудной нагрузки с учетом химсостава шихты; регулирование расхода пара, подаваемого в межконусное пространство; управление отработкой лотком количества шихты на заданном его положении безконусного засыпного устройства и т.д., а также выполнение расчетов шихты, материального и теплового балансов, минимального расхода кокса, потребного на процесс; времени пребывания шихты в печи; максимальной производительности печи и т.д.

Для подсистемы собственно доменной печи 4 реализуются следующие оптимизационные функции: управление верхней и нижней частью печи; тепловым состоянием печи; заполнением ковшей продуктами плавки; транспортировкой и поступлением ковшей для обеспечения гарантированного выпуска продуктов плавки; "остановкой" и "пуском" доменной печи; формированием и выдачей предупредительных и аварийных сигналов; общим отображением технологической и расчетной информации на центральном пункте управления печью; формированием и представлением отчетно-технической информации и документации, в том числе сменных рапортов, статистических анализов, материальных и тепловых балансов плавки, комплексных показателей и характеристик; пофакторных анализов работы печи; результатов использования моделей; энергозатрат и т.п., регулирование общего перепада и давления газа в печи, расхода природного газа и топлива в фурмы печи, соотношения "дутье-природный газ" по фурмам, а также определение расположения слоев шихты по высоте шахты, оптимального радиального газораспределения, оптимального газодинамического режима и теплового состояния, уровней накопления и нагрева продуктов плавки в горне, параметров зоны "когезии", расхода горячего дутья по фурмам, диагностики разгара горна и целостности элементов охлаждения воздушных фурм и системы охлаждения в целом, моделирование газодинамических, теплообменных и массообменных процессов в объеме доменной печи и т.д.

Для подсистемы блока воздухонагревателей 7 реализуются следующие оптимизационные функции: автоматическое управление перекидкой клапанов воздухонагревателей, регулирование соотношения "воздух-газ" с коррекцией по температуре купола каждого воздухонагревателя, управление оптимальным нагревом каждого воздухонагревателя и т.п., а также определение оптимальной длительности периода нагрева и минимального расхода топлива на период нагрева каждого воздухонагревателя и т.п.

При этом на втором уровне управления предлагаемой системы информация, формируемая сервером 20 подсистемы агрегатного производства 13 и поступающая в целях визуализации и отображения в результате обмена, может быть представлена, либо как дополнение на третьих автоматизированных рабочих местах 11-1, 11-2, . .., 11-n комплекса технических средств измерения 10, расположенных в помещении каждой подсистемы 1, 4 и 7 и центрального пункта управления, либо на вторых автоматизированных рабочих местах 14-1, 14-2,..., 14-n подсистемы 13 в помещении центрального пункта управления.

Кроме того, наряду с ручной установкой уставок, обслуживающим персоналом печи для формирования управляющих воздействий на третьих автоматизированных рабочих местах 11-1, 11-2, . .., 11-n с помощью устройств ввода, например клавиатуры или "мыши", на втором уровне управления сервер 20 подсистемы 13 формирует корректирующую уставку, которая по локальной вычислительной сети 22 поступает в программируемые контроллеры 17 комплекса технических средств измерения 10. При этом обслуживающий персонал задает режим функционирования, либо ручной уставки, либо корректирующей уставки с последующим формированием управляющего воздействия данным программируемым контроллером 17 блока 10. Это воздействие с использованием комплекса технических средств управления 12 поступает на тот или иной функциональный элемент управления 3, 6 и 9 подсистем 1, 4 и 7.

Между тем, сервер 20 подсистемы агрегатного производства 13 в соответствии с программным обеспечением системы управления формирует пакеты информации. Сервер 20 передает их через концентраторы 21 по вычислительным сетям 23 и 24 в сервер 21 подсистемы цехового производства для последующего функционирования подсистемы 15.

Таким образом работает предлагаемая система управления в рамках функционирования на втором ее уровне, характеризующемся оптимизационно-управляющей "петлей". Эта "петля" состоит из подсистемы агрегатного производства 13, вторых автоматизированных рабочих мест 14 подсистемы 13; комплекса технических средств измерения 10; первых автоматизированных рабочих мест 11 комплекса 10 и подсистемы агрегатного производства 13. "Узловым" элементом оптимизационно-управляющей "петли" второго уровня системы управления является сервер 20 подсистемы агрегатного производства 13. Он формирует для диалога с обслуживающим персоналом массивы информации, поступающие для визуализации и отображения на вторые 14 и третьи 11 автоматизированные рабочие места. Сервер 20 также формирует корректирующие уставки для комплекса технических средств управления 12 с воздействием на функциональные элементы управления 3, 6 и 9 подсистем 1, 4 и 7. Также сервер 20 формирует пакеты информации для обмена и последующего функционирования подсистемы цехового производства 15 и для административно-технического персонала доменного цеха или производства.

Предлагаемая система управления доменной плавкой на третьем уровне функционирования определяется наличием административно-управляющей "петли", узловым элементом которой служит подсистема цехового производства 15 с первыми автоматизированными рабочими местами 16-1, 16-2,..., 16-n. При этом ключевым элементом подсистемы цехового производства 15 является сервер 20 реляционных баз данных.

Сервер 20 подсистемы цехового производства 15 обеспечивает следующие режимы работы: осуществляет сбор информации из баз данных реального времени подсистем агрегатного производства 13 как рассматриваемой доменной печи, так и других печей; осуществляет организацию и построение баз данных глубиной до одного года или на период межремонтной компании; архивирование полученных массивов информации; производит обработку информации для визуализации результатов работы подсистемы цехового производства 15. В последующем эта информация отображается на мониторах 18 и принтерах 19 первых автоматизированных рабочих мест 16-1, 16-2,..., 16-n в форме таблиц, отчетов, исторических трендов, рапортов, гистограмм и других документов организационно-технического, учетного, экономического и технологического характера. Сервер 20 также обеспечивает решение общецеховых оптимизационных задач, например распределение энергоресурсов между доменными печами цеха в целях достижения наименьшей себестоимости производимого чугуна и т.п.; формирует массивы информации для главного вычислительного центра предприятия с организацией взаимного обмена; программно обеспечивает возможность управления технологическим процессом путем изменения рабочих уставок непосредственно с помощью устройств ввода первых автоматизированных рабочих мест 16-1, 16-2,..., 16-n подсистемы цехового производства 15 с оповещением обслуживающего персонала на первом или втором уровнях системы управления.

При этом сервер 20 подсистемы цехового производства осуществляет вычислительные режимы работы с использованием вычислительных сетей 24 и специального элемента - концентратора 21, например, для "скачивания" информации по сетям 24 из подсистем агрегатного производства 13 как рассматриваемой печи, так и других доменных печей цеха или производства.

Пользователями первых автоматизированных рабочих мест 16-1, 16-2,..., 16-n являются лица административного персонала, например начальник доменного цеха или производства, его заместители, руководители цеховых служб, специалисты-технологи, диспетчер, экономисты, специалисты службы технического контроля, бухгалтерии, специалисты лаборатории и т.д. Причем пользователи этих рабочих мест получают информацию на мониторах 18 и принтерах 19 в объеме, необходимом и достаточном для выполнения их служебных обязанностей по принадлежности. Вместе с тем должны существовать определенные ограничения получения информации, например ограничения в соответствии со служебным положением относительно изменения в ручных уставках для воздействия на параметры управления доменной плавкой функциональных элементов управления 3, 6 и 9 подсистем 1, 4 и 7 через подсистему 13, блок 10 и комплекс технических средств управления 12 и т.д.

Итак, подсистема цехового производства 15 через концентратор 21 по первым информационным входам и первым выходам с помощью вычислительных сетей 24 объединяет как рассматриваемую подсистему агрегатного производства 13, так и подобные подсистемы других доменных печей цеха.

Кроме того, отличительной особенностью подсистемы цехового производства 15 предлагаемой системы управления является то обстоятельство, что будучи в значительной степени подсистемой персонифицированной, она также предназначена для решения целого круга задач при реализации и достижении поставленных перед системой управления целей.

Так, для административно-технического персонала, например начальника доменного цеха или производства, его заместителей, руководителей цеховых служб, подсистеме цехового производства 15 предоставлена возможность решения, например, следующих функций: изменение ручных уставок задания технологических параметров при их управлении; управление запасом шихты, энергоресурсами и топливными добавками при их распределении по печам доменного цеха; визуализация и отображение информации о ходе технологического процесса подсистем 1, 4 и 7 подсистем агрегатного производства 13 как рассматриваемой печи, так и общецеховой информации; а также сменные рапорты, комплексные показатели работы печи и цеха в целом и другие отчетные документы; оптимальное распределение топливных добавок и энергоресурсов между печами цеха в форме аналитических расчетов; возможность получения расчетных показателей для прогнозирования режимов работы доменных печей по заданному удельному расходу кокса, производительности и химсоставу продуктов плавки при текущих сырьевых и дутьевых условиях и т.п.

Для диспетчерской службы цеха - предоставлена возможность решать следующие функции: формирование документации выполнения графика выпусков продуктов плавки; выполнение заданной программы поступления ковшей, сырья, топлива, энергоресурсов, компонентов промпроводки по печам и цеху в отчетные периоды; на базе аналитических расчетов - оптимальное использование сырья, топлива и энергоресурсов по печам и цеху и т.д Для экономической службы цеха предоставлена возможность решать следующие функции: формирование часовых, сменных, суточных и месячных показателей работы печей и организация при этом соответствующих отчетных документов; расчеты экономических эффектов, материальных балансов и т.д.

Для службы технического контроля - предоставление отчетной документации о качестве поступающего сырья, топлива и энергоресурсов, а также о выполнении нормативных режимов работы печей и цеха и т.д.

Для лабораторий - формирование отображения текущего химического анализа продуктов плавки, сырья, топлива, формирование массивов информации, связанных с контролем технологии выплавки чугуна; формирование техдокументации по разработке новых технологий, приемов и методов ведения доменной плавки; предоставление расчетной технической документации; предоставление технической и аналитической документации исследования работы доменных печей и цеха и т.д.

При этом решение вышеперечисленных функций подсистемы цехового производства 15 с помощью сервера 20 реализуется в форме визуализации и отображения информации на мониторах 18 и принтерах 19 первых автоматизированных рабочих мест 16-1, 16-2, . .., 16-n в соответствии с принадлежностью, определяемой служебным положением административно-технического персонала доменного цеха или производства.

Кроме того, сервер 20 подсистемы цехового производства 15 поддерживает информационный обмен как с нижестоящими подсистемами и элементами системы управления - подсистемой агрегатного производства 13, комплексом технических средств измерения 10, так и с рядом смежных систем управления, обеспечивающих функционирование отдельных подразделений металлургического предприятия. К таковым относятся: главный вычислительный центр предприятия, коксохимическое производство, агломерационное производство, сталеплавильное производство, топливо-энергетический комплекс предприятия, производственный и технический отделы предприятия и другие.

При этом сервер 20 подсистемы цехового производства 15 предлагаемой системы управления формирует и производит обмен строго дозированных массивов информации, определяемых программным обеспечением и предназначенных перечисленным подразделениям металлургического предприятия в необходимых и достаточных для производства объемах с использованием для обмена этой информации вычислительных сетей предприятия.

Таким образом, на третьем уровне управления функционирует предлагаемая система. Этот уровень управления характеризуется административно-управляющей "петлей", состоящей из подсистемы цехового производства 15; первых автоматизированных рабочих мест 16 подсистемы цехового производства 15; подсистемы агрегатного производства 13; вторых автоматизированных рабочих мест 14 подсистемы агрегатного производства 13 и подсистемы цехового производства 15.

На третьем уровне управления предлагаемой системы с помощью сервера 20 подсистемы цехового производства 15 информация для отображения и визуализации поступает на мониторы 18 и принтеры 19 первых автоматизированных рабочих мест 16-1, 16-2,..., 16-n. Причем, как дополнение, посредством локальных вычислительных сетей 23 и 24 с использованием концентраторов 21 часть информации может передаваться на вторые автоматизированные рабочие места 14-1, 14-2, . .., 14-n подсистемы агрегатного производства 13 с помощью сервера 20 этой подсистемы. При этом информация управляющего характера в виде изменения рабочих уставок заданных параметров управления доменным процессом реализуется, или в условиях диалога с обслуживающим персоналом, или в автоматическом режиме с последующим формированием управляющего воздействия в комплексе технических средств измерения 10 и передачей этого воздействия через комплекс технических средств управления 12 на соответствующие функциональные элементы управления 3, 6 и 9 подсистем 1, 4 и 7.

Кроме того, подсистема цехового производства 15 имеет возможность осуществлять информационный обмен со смежными системами управления подразделений металлургического предприятия.

Использование предлагаемой системы управления доменной плавкой в качестве альтернативы на этапе технического перевооружения, реконструкции и капремонтов позволит более эффективно эксплуатировать новые средства автоматизации, например, на базе персональных компьютеров, программируемых контроллеров и операторских станций. Позволит заменить систему управления доменной плавкой, имеющую автономный и замкнутый характер без взаимосвязи с ее элементами и блоками, на более совершенствованную систему управления работой доменных печей. Все это способствует внедрению новейших разработок по автоматизации и оптимизации технологических процессов на базе математических моделей, обобщенных критериев и оптимизационных задач.

Внедрение предлагаемой системы управления позволит улучшить технико-экономические показатели работы доменной печи за счет снижения себестоимости чугуна при снижении расхода кокса на 5-10 кг/т чугуна, приросте производства чугуна на 1,5-2,5%, уменьшении расхода топлива на нагрев воздухонагревателей на 2-4% и увеличении стойкости кладки печи и насадки воздухонагревателей на 3-5%.

Формула изобретения

Система управления доменной плавкой, включающая подсистему шихтоподачи, подсистему собственно доменной печи и подсистему блока воздухонагревателей, причем подсистемы содержат функциональные элементы контроля, функциональные элементы управления и объединены комплексом технических средств измерения и комплексом технических средств управления, отличающаяся тем, что она снабжена подсистемой цехового производства с первыми автоматизированными рабочими местами, подсистемой агрегатного производства со вторыми автоматизированными рабочими местами, а третьими автоматизированными рабочими местами снабжен комплекс технических средств измерения, первые информационные входы которого соединены с выходами функциональных элементов контроля подсистем шихтоподачи, собственно доменной печи и блока воздухонагревателей, а третьи выходы - с первыми информационными входами подсистемы агрегатного производства, первые выходы которой соединены с первыми информационными входами подсистемы цехового производства, первые выходы которой соединены с третьими информационными входами подсистемы агрегатного производства, третьи выходы которой соединены с третьими информационными входами комплекса технических средств измерения, первые выходы которого соединены с управляющими входами комплекса технических средств управления, выходы которого соединены с управляющими входами функциональных элементов управления подсистем шихтоподачи, собственно доменной печи и блока воздухонагревателей, а информационные входы и выходы первых, вторых и третьих автоматизированных рабочих мест соединены со вторыми выходами и со вторыми информационными входами подсистемы цехового производства, подсистемы агрегатного производства и комплекса технических средств измерения соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2