CC BY
43
УДК 004:669
Г. Б. Даныкина \ В. А. Осипова 2
Сибирский федеральный университет пр. Имени газеты « Красноярский рабочий», 95, Красноярск, 660025, Россия E-mail: 1 danykinagb-sfu@mail.ru; 2 va-osipova@yandex.ru
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ОБУЧАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ КАК ПУТЬ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
Статья посвящена разработке автоматизированных информационно-советующих систем, используемых для исследования металлургических процессов и обучения оперативного персонала навыкам управления технологическими процессами металлургических предприятий. Приведены основные требования к разработке таких систем на основе экспертных технологий.
Ключевые слова: автоматизированная информационно-советующая система, плавка в РТП, процесс конвертирования, информационные технологии.
Внедрение металлургических агрегатов большой единичной мощности и сложных взаимосвязанных процессов поставило перед производственниками и учеными проблему повышения технико-экономических показателей технологических процессов. Особенно остро данная проблема стоит при интенсификации технологических процессов на предприятиях цветной металлургии и химической промышленности. Ее решение неотрывно связано с целым рядом задач технического, социального, экономического характера и т. п. Так, перед высшей школой встала проблема совершенствования подготовки кадров, как в рамках вузовского, так и послевузовского образования.
Сложность подготовки специалистов для предприятий цветной металлургии и химической промышленности объясняется тем, что технологические процессы протекают, как правило, в высокотемпературных и химически агрессивных средах, имеют агрегаты большой единичной мощности и порой слабо оснащены системами автоматического контроля основных технологических параметров. Кроме того, обучение персонала на действующих технологических установках требует значительных капитальных затрат и может привести к возникновению аварийных режимов работы и нештатных технологических ситуаций.
В связи с такими особенностями целесообразным становится применение средств вычислительной техники и информационных технологий, а именно: наиболее эффективно обучение студентов (операторов) и исследование металлургических процессов осуществляется с помощью автоматизированных информационно-советующих систем управления (обучающих систем). Данные системы реализованы на базе компьютерных тренажеров, основой функционирования которых являются имитационные математические модели. Такие модели строятся на основе знаний экспертов, представленных в виде таблиц и графиков [ 1; 2]. Также следует отметить, что применение высокоорганизованных АСУ не исключает, а скорее всего предъявляет повышенные требования к квалификации персонала и отработке навыков оптимального управления технологическим процессом.
Основные функции и требования обучающих систем
При подготовке студентов высших учебных заведений в настоящее время широко внедряются экспертные технологии, которые расширяют круг решаемых задач, имеющих практическое значение, и повышают квалификацию специалистов. Автоматизированные инфор-
ISSN 1818-7900. Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. 2010. Том 8, выпуск 4 © Г. Б. Даныкина, В. А. Осипова, 2010
мационно-советующие системы управления для обучения студентов и специалистов предприятий цветной металлургии строятся на базе персональных компьютеров. На экране монитора представлено головное меню, позволяющее студенту выбрать тип изучаемого или управляемого процесса и один из возможных режимов работы компьютерного тренажера:
• обучения;
• контроля знаний;
• советчика.
Основной отличительной особенностью режима советчика является использование автоматизированной информационно-советующей системы для коррекции хода технологического процесса. При работе в режиме советчика коррекция осуществляется мастером (технологом) на основе информации, полученной от ЭВМ о реальном технологическом процессе. При этом рекомендации могут быть получены двумя способами. В первом случае ЭВМ по заранее заданной программе рассчитывает необходимое управляющее воздействие (или комплекс воздействий) исходя, например, из условий оптимальности, а мастер принимает решение об его использовании. Во втором случае управляющее воздействие определяется самостоятельно мастером на основании исследования различных режимов функционирования системы с помощью имитационных моделей функционирования объекта, работающих в диалоговом режиме в реальном масштабе времени [3; 4].
Характерной особенностью режима обучения является использование автоматизированной информационно-советующей системы в качестве компьютерного тренажера, применяемого для исследования процесса и обучения рабочих в реальном масштабе времени в диалоговом режиме.
Режим контроля знаний используется при контроле знаний мастеров и технологов и сдаче квалификационных экзаменов техническим персоналом металлургических предприятий на разряд.
Для реализации вышеперечисленных функций компьютерный тренажер должен отвечать требованиям:
• наглядности, которая предполагает, что на экран монитора должна быть выведена мнемосхема исследуемого процесса или агрегата с имитацией основной пускорегулирующей и контрольно-измерительной аппаратуры, применяемой для управления данным процессом или агрегатом;
• информативности, которая предполагает вывод на экран монитора графика изменения регулируемого параметра и значений основных входных и управляющих параметров;
• многофункциональности, которая предполагает выбор режима работы и управляемого параметра, ускорение масштаба времени, введение временных задержек, использование управления с прогнозом, имитацию случайных возмущений, аварийных режимов и нештатных ситуаций [5].
Основу функционирования компьютерного тренажера составляют имитационные математические модели исследуемого процесса и алгоритм функционирования. При разработке математического и программного обеспечения необходимо учитывать следующие основные факторы:
• реакция тренажера на управляющие воздействия должна быть идентичной реакции реального объекта на аналогичное возмущение;
• математическая модель должна работать в диалоговом режиме, допускать ввод в нее необходимых управляющих воздействий по ходу процесса и учитывать постоянную времени объекта;
• модель должна быть открытой, должна учитывать возможность введения в нее дополнительной информации и предусматривать возможность управления в реальном масштабе времени в укоренном режиме.
Математическая модель на примере процесса плавки в РТП
Для процесса плавки сульфидных руд в рудно-термической печи (РТП) математическое описание разработано с позиций системного подхода к процессу управления РТП [6]. Необходимость использования системного подхода объясняется взаимосвязанностью физико-
химических процессов, протекающих в печи. В связи с этим применение локальных систем регулирования отдельных параметров не позволяет повысить технико-экономические показатели технологического процесса в целом.
Для разработки математической модели процесса плавки в РТП составлены уравнения материального и теплового баланса:
^ = Gaг + ос+ОкШ + £8Ю2 - ащл - ащт - а02; (1)
— = й + й + й - й - й - й - й , (2)
йг
где Gаг, Gс, Gкш, - количество загружаемого в электропечь агломерата, кокса, кон-
вертерного шлака и кремнезема соответственно; Gшл, Gшт, Gо2 - количество выпускаемого шлака, штейна и количество потерь с отходящими газами соответственно; йээ, йаг, йкш -количество тепла, поступаемого от вводимой мощности и с конвертерным шлаком и от сгорания серы, содержащейся в агломерате; 2ст, 2шл, 2шт, йог - количество тепла, теряемого через стенки печи, с выпускаемым шлаком и штейном и с отходящими газами соответственно.
Анализ уравнений (1) и (2) показывает, что основными выходными показателями, характеризующими эффективность процесса плавки в РТП, являются производительность П, потери цветных металлов с отвальными шлаками С N , выбросы вредных веществ в атмосферу GSiо2, температура расплава шлака Тшл и удельный расход электроэнергии Шу . Основными управляющими воздействиями являются загрузка агломерата, кокса, кремнезема, заливка конвертерного шлака и ввод электрической мощности. Управляющие воздействия необходимо рассчитывать с учетом изменения основных выходных показателей в виде
и ^, Gc, Gкш, Gsiо2, и, I, к) = / (П, С №, Т, Gsо2, Шу). (3)
Анализ уравнения (3) показывает, что задача управления, представленная в такой форме, относится к многокритериальным и многофакторным задачам оптимального управления.
Задачу (3) можно свести к однокритериальной задаче оптимального управления вида
] = |G(S02, г)йг ^ шт
*
П1 > П
*
Т = Т
*
Шу < Шу
*
С Ni < С №
где JG - первичный критерий оптимального управления, в качестве которого выбран ми-
S02
нимум выброса диоксида серы в атмосферу; П, Т, Шу , См - частные критерии оптимально* * * *
сти, которые выступают в роли ограничений; П , Т , Шу , С N - заданные значения частных критериев оптимальности, которые могут быть рассчитаны на основании идеальных условий функционирования РТП.
Так как технологический процесс плавки в РТП относится к стохастическим процессам, то для реализации оптимального управления процессом плавки в РТП целесообразно использовать управление с оптимизацией качества. Тогда задачу (3) можно представить в виде
1
= |(J1(t) + J2(г) + J3(г) + J4(г) + J5(t))йг ^ ехо-, (4)
о
о
где /ь ..., /5 - частные критерии оптимальности, характеризующие оптимальное значение производительности, потерь цветных металлов с отвальными шлаками, выбросов вредных веществ в атмосферу, температуры шлака и удельного расхода электроэнергии.
Реализация оптимального управления по уравнению (4) требует применения методов многокритериальной и многофакторной оптимизации, и, в частности, может быть использован один из методов упорядоченного перебора данных, например метод Гаусса-Зейделя. Для осуществления управления по уравнению (4) необходимо иметь специальные инструментальные средства, позволяющие реализовать оптимальное управление.
С учетом выше приведенных в работе требований разработаны модели и алгоритмы, положенные в основу автоматизированных информационно-советующих систем для обучения плавильщиков рудно-термических печей и операторов процесса конвертирования медных штейнов, позволяющие отрабатывать различные ситуации, возникающие на реальном технологическом оборудовании.
Автоматизированная информационно-советующая система
«Руднотермическая печь»
Автоматизированная информационно-советующая система подготовки плавильщиков и обучения навыкам интенсификации процесса плавки в РТП работает в диалоговом режиме в реальном масштабе времени и позволяет обучать студентов навыкам оптимального управления как с позиций управления одним технологическим параметром, так и с позиции комплексного управления всем процессом. На экран монитора выведена мнемосхема исследуемого процесса, где представлена схема РТП, щит оператора и приведены основные входные и выходные параметры, характеризующие процесс электроплавки (рис. 1). В качестве управляющих воздействий выбраны параметры, применяемые на промышленных печах ввод -электрической мощности, количество и химический состав загружаемой шихты.
Рис. 1. Мнемосхема процесса плавки в РТП
Разработанная компьютерная система может работать в режиме обучения, в котором плавильщик исходя из имеющегося опыта самостоятельно выбирает управляющие воздействия, а также в режиме управления, при котором расчет управляющих воздействий производится автоматически с учетом прогноза изменения основных технологических параметров, что является весьма перспективным при управлении сложными металлургическими процессами.
В режиме обучения студент (плавильщик), имитируя набор реальных управляющих воздействий, управляет процессом по оптимизации или стабилизации одного из выходных параметров: температуры, производительности или удельного расхода электроэнергии. После того, как сеанс обучения окончен и плавильщик вывел регулируемый параметр на заданный режим (например, вывел температуру на уровень 1260-1265оС), он может посмотреть, как отразилось управление тепловым режимом на изменении остальных параметров, например, на удельном расходе электроэнергии и производительности. Если в результате управления значение этих параметров сильно отличается от оптимального значения, тогда необходимо снова приступить к управлению, и задача будет решена в том случае, если в результате управления все параметры близки к оптимальным значениям. Процесс обучения считается законченным, когда плавильщик научился выводить процесс на заданный режим практически из любого исходного состояния в области допустимых значений за определенное время.
Данная система позволяет на модели проверить эффективность различных способов интенсификации производства и в зависимости от полученных результатов рекомендовать на практике наиболее приемлемый в данных условиях способ интенсификации, обоснование которого осуществляется выбором критерия оптимальности с позиций системного анализа.
Автоматизированная система управления
конвертерным производством
Основой функционирования разработанной автоматизированной информационно-советующей системы управления процессом конвертирования медных штейнов является математическое и алгоритмическое обеспечение обучающей системы [7].
Для практического осуществления процесса конвертирования медных штейнов используются горизонтальные конвертеры, представляющие собой цилиндрический поворотный аппарат периодического действия. В верхней части конвертера имеется горловина, через которую заливают жидкий штейн, загружают холодные материалы и кварц ^Ю2), отводят газы и сливают конвертерный шлак и черновую медь. Для подачи дутья в штейновый расплав на одной из сторон конвертера по образующей установлены фурмы.
Компьютерный тренажер отвечает требованиям наглядности, многофункциональности, информативности и эргономики [3].
Требования информативности обеспечивается тем, что на монитор выводится график регулируемого параметра (извлечения меди, производительности) и значения основных входных и управляющих параметров, оказывающих существенное влияние на эффективность функционирования объекта (рис. 2).
Многофункциональность предусматривает режим ускорения времени, который целесообразно использовать для циклических процессов, каким и является процесс конвертирования. Этот режим используется для ускорения работы с тренажером.
На мнемосхеме представлен пульт оператора, на котором устанавливаются значения основных входных и управляющих параметров, операции, выполняемые в текущий момент времени, и графики изменения выходных параметров.
Компьютерный тренажер позволяет имитировать и регулировать порядок действий, осуществляемый при конвертировании (повалка - заливка штейна - подача воздуха - исходное положение), для этого на пульте оператора выведена основная пускорегулирующая (поворот
конвертера влево / вправо, заливка жидкого штейна, включение дутья, загрузка Si02, загрузка холодных материалов) и контрольно-измерительная аппаратура: количества заливаемого штейна, расхода воздуха, расхода кварца и холодных материалов, содержания меди и цинка в заливаемом штейне, текущих температуры и времени процесса.
Рис. 2. Мнемосхема процесса конвертирования
В случае неполадок и неправильного ведения процесса, например засорения фурм штейном из-за неверной очередности действий обучаемого, программой выдаются соответствующие сообщения.
Таким образом, автоматизированная информационно-советующая система управления (компьютерный тренажер) может применяться для реализации режима обучения персонала и исследования функционирования технологического процесса конвертирования медных штейнов, что дает возможность значительно улучшить качество обучения за счет наглядности и имитации реальных технологических ситуаций и режимов, а также может применяться для управления процессом в режиме «советчика», так как предусмотрена выдача советов оператору по принятию тех или иных решений. Использование компьютерного тренажера позволяет оператору в диалоговом режиме выбрать управляющие воздействия и проанализировать их влияние на выходные показатели. Если значения выходных показателей устраивает оператора, то данные управляющие воздействия переносятся на реальный процесс; если не устраивает, то имеется возможность продолжить выбор необходимого управляющего воздействия и отработать основные принципы желаемого управления процессом конвертирования медных штейнов.
Заключение
Для реализации автоматизированных информационно-советующих систем разработаны: структура компьютерной системы, математическое и программное обеспечение с учетом опыта функционирования промышленных печей и требований, предъявляемых технологической инструкцией к технологическому персоналу. Математические модели исследуемых
процессов работают в диалоговом режиме, допускающем ввод в них по ходу процесса необходимых управляющих воздействий, используемых при управлении реальными процессами.
При разработке рассмотренных автоматизированных информационно-советующих систем наибольшие трудности имели место на этапе приобретения соответствующих знаний от эксперта. Полученные знания о технологическом процессе, необходимые для работы экспертной системы, определенным образом формализованы и представлены в памяти ЭВМ в виде базы знаний, которая может изменяться и дополняться в процессе развития системы. В результате система может обладать знаниями, позволяющими выполнить диагностику и планирование ведения технологического процесса. При этом решается главная задача разработанных систем - определение способностей обучаемого по основным направлениям курса и повышение уровня подготовки специалистов.
Список литературы
1. Гурдзибеева А. Р. Исследование и разработка методов и алгоритмов имитационного моделирования для тренажеров операторов сложных объектов: Дис. ... канд. техн. наук. Владикавказ, 2004. 188 с.
2. Курносов Б. В. Имитационная система управления технологическим процессом спекания нефелино-известняковой шихты: Дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2004. 146 с.
3. Горенский Б. М., Даныкина Г. Б., Кирякова О. В. Новые информационные технологии в управлении металлургическими процессами: Лаб. Практикум. 2-е изд., испр. и доп. Красноярск, 2006. 116 с.
4. Лысков Ф. Д. Педагогические основы создания и применения тренажеров: Метод. рекомендации. М.: Высшая шк., 1979. 24 с.
5. Танеев В. В. Применение математических моделей для прогнозирования аварийных ситуаций в АСУ ТП // Математические модели в АСУ ТП: Сб. науч. тр. М.: ЦНИИКА, 1984. С. 33-35.
6. Горенский Б. М., Казинникова В. А., Халикова О. Е. Использование компьютерного тренажера для оптимизации технологического процесса плавки в РТП // Оптимизация режимов работы систем электроприводов: Сб. науч. тр. Красноярск, 1999. С. 22-26.
7. Даныкина Г. Б. Компьютерный тренажер процесса конвертирования медных штейнов // Вестн. Краснояр. гос. аграрн. ун-та.2006. № 12. С. 46-50.
Материал поступил в редколлегию 11.10.2010
G. B. Danykina, V. A. Osipova
COMPUTER TRAINING TECHNOLOGIES AS A WAY OF IMPROVING THE PREPARATION OF ENGINEERS METALLURGICAL SPECIALTIES
The article is devoted to the development of automated information- advising systems used to study metallurgical processes and training of operation personnel to skills of management by technological processes of the metallurgical enterprises. The basic requirements for the development of such systems on the basis of expert technology.
Keywords: automated information and advising system, melting in the RTP, process convertation, information technology.
