Vědeckovýzkumná činnost Katedry automatizace a počítačové techniky v metalurgii


Vrožina Milan1, David Jiří2, Heger Milan3, Jančíková Zora4, Janetka Pavol5, Koběrský Josef6, Šperka Petr7, Tomis Longin8

  Katedra APTM-638, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava - Poruba, 708 33 


1 Prof., Ing., CSc.,   milan.vrozina@vsb.cz

2 Ing.,  j.david@vsb.cz

3 Doc., Ing., CSc.,  milan.heger@vsb.cz

4 Ing., CSc.,  zora.jancikova@vsb.cz

5 Ing.,  pavol.janetka@vsb.cz

6 Dr., Ing.,  josef.kobersky@vsb.cz

7 Ing.,  petr.sperka@vsb.cz

8 Prof., Ing., CSc.

 

1. Abstract

A science investigative activity of Department of Automation and Computer Technics in Metallurgy is directed on an application of information and control systems in technological processes above all and it specializes on technological values monitoring, on power and material savings achieved by an information and control systems application, on an operative production control, on an analysis of system reliability with an attachment on a maintenance organization and a logistics in a metallurgical plants sphere. Further the department works on a development of methods of an expoitation of untraditional signals and special information technologies for a process identification and control and on methods of harmful acoustic emissions and imissions reduction.

This projects was supported by the Grant Agency of Czech Republic, project number GAČR N.101/94/1134, GAČR N.106/93/0022 and GAČR N.106/96/K032/3238.
 

2. Úvod

Vědeckovýzkumná činnost Katedry automatizace a počítačové techniky v metalurgii je zaměřena převážně na řešení odborných úkolů z hutnictví prostřednictvím Grantové agentury ČR. Takto je postupně na katedře řešena problematika snižování energetické náročnosti technologických procesů v metalurgii systémem komplexního řízení. Praktickou aplikací bylo monitorování a zpracování technologických veličin pro dispečerské pracoviště závodu 340 Vítkovic a.s., problematika využití metod aktivní ochrany proti hlukům a vibracím v metalurgickém průmyslu, problematika vizualizace technologických veličin a uplatnění expertních systémů pro operativní řízení ocelárny, problematika spolehlivosti systémů s vazbou na organizaci údržby a logistiku a problematika identifikace stavu procesu kontilití na základě analýzy vibračních spekter snímaných ze zařízení plynulého lití.
 

3. Snížení energetické náročnosti technologických procesů při využívání plynných paliv systémem komplexního řízení

(GAČR č. 101/94/1134, VŠB-TU Ostrava, 1994 - 96)
 
 
V návaznosti na všeobecnou snahu o naplnění filozofie řízení výrobních činností v podniku s důslednou počítačovou podporou bylo zásobování podniku plynnými palivy analyzováno jako jediný řízený systém. Tento systém byl v úvodu prací rozčleněn a práce byly zaměřeny do tří oblastí s důsledným respektováním vzájemných souvislostí. Zmíněné oblasti jsou:
- řízení na úrovni podnikového zásobování energií,
- řízení na úrovni provozu nebo na úrovni skupiny spotřebičů,
- řízení na úrovni jednotlivých agregátů.

Úlohy řízení byly dále rozděleny na ty, které je nutno provádět v reálném čase řízení, a na ty,  které je třeba provádět
v předstihu. Byla vyspecifikována řada činností, které je nutno provádět na různých organizačních úrovních pro zajištění realizace řídicího systému energetiky s cílem snižování energetické náročnosti.

Důsledně byla zachována metoda řešení umožňující rozšiřování systému při realizaci krok za krokem tak, aby bylo možno postupně dosahovat i dílčích cílů v úsporách energie  [VROŽINA, M. 1994-1996].
 

4. Analýza akustických emisí hutních agregátů s cílem snížení hlukového zatížení prostředí

(GAČR č. 106/93/0022, VŠB-TU Ostrava, 1993 - 95)
 

Téma grantu  [VROŽINA, M. 1993-1995] a další vědeckovýzkumné činnosti katedry svým zaměřením koresponduje s aktuální problematikou řešenou v současné době v řadě hutních podniků severomoravského regionu. Tato však dosud nebyla řešena komplexně.

Zkoumané postupy hledají cesty k řešení ochrany pracovníka i obyvatele před nepříznivými účinky hluku. Těžiště je kladeno na aktivní metody ochrany - antihluk. Vychází se zde ze skutečnosti, že snižování hlučnosti pasivní formou je na vrcholu technických možností a je potřeba najít nové formy ochrany člověka právě tam, kde je účinnost metod pasivní ochrany malá nebo neekonomická.

Metody a postupy, kterými je daný problém řešen, vychází z předpokladu dobré orientace v dané problematice a z podrobných znalostí zdrojů hluku. K této orientaci podstatně přispívá vypracování jak klasifikace hutních agregátů jakožto zdrojů hlukového zatížení okolí, tak také rozpracování metod aktivní ochrany a analýza jejich technických možností, které jsou prezentovány výsledky počítačových simulací a laboratorních i provozních měření.

Cílem grantu a další vědeckovýzkumné činnosti v této oblasti je vytýčení metodiky postupu při potlačování hluku. Je zde zdůrazňována nutnost uplatnění v prvé řadě technologických opatření a následně teprve na základě znalostí akustických charakteristik vlastních metalurgických agregátů a prostředí, ve kterém se nacházejí, vhodně kombinovat jak pasivní, tak některé aktivní metody ochrany proti nepříznivým účinkům hluku a vibrací.
 

5. Komplexní projekt technologické inovace plynulého odlévání oceli v ČR

(GAČR č. 106/96/KO32, VŠB-TU Ostrava, 1996 - 2001)

5.1. Využití speciálních informačních technologií pro identifikaci stavu procesu kontilití

Trendem současné doby ve výrobě a zpracování oceli je stále větší podíl využití kontilití na úkor odlévání do kokil. Z hlediska zajištění konstantní kvality materiálu pro následné zpracování ve válcovnách i pro zajištění bezporuchového chodu kontilití vyvstává nutnost celkové stabilizace procesu kontilití. Z hlediska optimalizace řízení to představuje nejen stabilizaci základních veličin jako je výška hladiny v krystalizátoru a licí rychlost, ale stabilizace by měla být vztažena také na poměr tuhé a kapalné fáze po jednotlivých průřezech kontislitku.

V současné době je poměrně dobře zvládnuta technika měření a stabilizace výšky hladiny v krystalizátoru, avšak současná úroveň měřících metod nedovoluje nedestruktivní kontinuální měření obsahu tekuté fáze po délce kontislitku. Ověření tvaru a rozsahu tekuté fáze je možno provádět jen destruktivním způsobem s využitím radioaktivních příměsí.

V laboratořích VŠB - TU Ostrava byla vyvinuta aktivní, nedestruktivní, kontinuální metoda umožňující identifikaci poměru kapalné a tuhé fáze na modelu krystalizátoru [VROŽINA, M. 1997], [VROŽINA, M. 1998]. Metoda využívá analýzy vibroakustických signálů snímaných z tělesa krystalizátoru piezoelektrickými akcelerometry. Buzení systému je prováděno buďto využitím principu magnetostrikce za pomocí rozmítaného harmonického signálu nebo elektromagnetickým automatickým, počítačem řízeným vibrátorem, popřípadě údery měřícím kladívkem fy B&K.

Pro vyhodnocení stavu procesu tuhnutí jsou analyzována frekvenční spektra vibrací na povrchu krystalizátoru. Stav může být identifikován z poměru integrálů amplitud pro vybraná frekvenční pásma nebo sledováním frekvenčních pohybů vybraných maxim frekvenčního spektra.

I když většinou technika analýzy vibračních projevů systému neumožňuje získat absolutní veličiny, ukazuje se, že je dobře použitelná pro indikaci odchylek od definovaných stavů, čímž umožňuje poskytnout informace potřebné ke stabilizaci zkoumaného procesu.
 

5.2. Uplatnění expertního systému pro operativní řízení ocelárny

Předmětem řízení - řízenou soustavou - je ocelárenská výroba, na které lze definovat tyto základní její části: úsek přípravy vsázky, vlastní výroba oceli v ocelářských pecích, mimopecní zpracování oceli, odlévárna a v současné době nejprogresivnější technologie - zařízení pro plynulé odlévání oceli. Rovněž zde patří obslužné úseky jako je pánvové hospodářství, kokilové hospodářství, úprava kontislitků, v současnosti omezeně stripovací hala, sklad ingotů a další.

Na takto definované soustavě lze rozlišit dvě základní úrovně řízení:

Řízení technologického procesu v jednotlivých agregátech ocelárny je v dnešní době poměrně dobře propracované a tak hlavní pozornost je věnována především úrovni řízení výrobního pochodu.

Cílem řízení na této úrovni je vyrábět plánované množství oceli v požadovaných kvalitách, v potřebném rytmu a s maximální efektivitou. Na zařízeních pro plynulé odlévání oceli je hlavním technologickým cílem odlití maximálního počtu taveb v sekvenci při udržení stálé jakosti odlévané oceli.

V ocelárenské výrobě, jsou velmi důležité úlohy prostorové i časové koordinace, při jejichž řešení je nutno uplatňovat kombinace ekonomických a technologických kritérií. Proto je hlavní náplní řešení etapy Systémy pro algoritmizaci rozhodovacích procesů při řízení plynulého odlévání oceli, komplexního projektu Grantové agentury ČR "Technologické inovace plynulého odlévání oceli v ČR" právě operativní řízení výroby oceli.

Operativní řízení výroby oceli musí být schopno reagovat na okamžitou situaci ve výrobě, tj. stav zásob, stav výrobních zařízení, okamžitou propustnost dopravních cest, rozpracovanost výroby, ale i na nepředvídané situace atp.

Je tedy nutno řešit následující úlohy:

Z uvedeného výčtu je patrné, že od informačního a řídicího systému se vyžaduje sběr a zpracování informace v reálném čase. Jedním z moderních nástrojů realizace úloh operativního řízení výroby je nasazení expertních systémů. Tyto systémy umožňují automaticky připravovat podklady a doporučení operátorovi při rozhodovacích procesech, případně plnit celou řadu funkcí bez přímé účasti operátora. Tím lze minimalizovat negativní vliv lidského faktoru při rozhodovacích procesech. Nicméně i zde v podstatné míře zůstává vlastní rozhodovací úloha svěřena člověku.

Řešení se zaměřuje na doplnění stávajících řídicích systémů ocelárny v některých rozhodovacích funkcích o aplikace expertních systémů. Byla provedena podrobná analýza řešeného systému z hlediska specifikace technologie výroby a dalšího zpracování oceli, funkcí stávajícího systému řízení a sběru provozních dat. Na základě této analýzy byl proveden popis technologických objektů ocelárny, stávajících provozních podmínek a návrh datových položek nutných pro rozhodovací a řídicí procesy. V současné době se práce soustřeďují zejména na zabezpečení funkce monitorování výrobního procesu, zejména pak na predikci časových vztahů v jeho průběhu, vizualizaci výrobního procesu a příslušných časových návazností.
 

5.3. Vizualizace technologických procesů

V rámci etapy “Systémy pro algoritmizaci rozhodovacích procesů při řízení plynulého odlévání” grantového projektu GAČR 106/96/K032 - Komplexní projekt technologické inovace plynulého odlévání oceli v ČR. - je hlavní pozornost věnována aplikací výpočetní techniky pro řešení problematiky výše uvedených funkcí operativního řízení.

Pro zabezpečení funkcí operativního řízení na ocelárně je prvořadým předpokladem vytvoření systému monitorování technologických procesů a jejich vizualizace.

Na základě analýzy byl proveden popis technologických objektů ocelárny a návrh datových položek nutných pro zabezpečení funkce monitorování výrobního procesu a vizualizaci výrobních procesů. Dalším krokem bylo vytvoření návrhů formátů informačních obrazovek dispečerského pracoviště ocelárny, přičemž zobrazované datové položky jsou aktualizované v reálném čase z databáze stavů procesů.

Návrh hlavní dispečerské obrazovky poskytuje řídícímu pracovníkovi přehled o aktuálním stavu všech technologických procesů na ocelárně. Pokud zobrazované informace nejsou dostatečné pro efektivní rozhodnutí, může dispečer vyvolat detailní obrazovky jednotlivých technologických uzlů.

Dispečerská obrazovka zobrazuje jednotlivé technologické agregáty a zařízení:

tandemové pece, kyslíkové konvertory, stanice homogenizace inertním plynem, vakuovací stanice, pánvové pece, licí plošiny, zařízení plynulého odlévání oceli, vysokoteplotní ohřevy pánví, jeřáby a převážecí vozy.

Grafické zobrazení každého technologického uzlu je doplněno přehledem hlavních technologických parametrů. Technologické fáze těchto zařízení jsou přehledně vyjádřeny standardním barevným označením.

Další oblastí, kde jsou využívány prostředky pro vizualizaci je sledování dodržování časové posloupnosti operací stanovených automaticky generovaným plánem výroby. Pro výpočet jednotlivých operačních časů se používají statisticky určené doby operací pro jednotlivé cesty zpracování určitých značek ocelí. Vizualizace odchylek mezi plánem a skutečným stavem má pro rozhodování dispečera zásadní význam, neboť mu umožňuje včasný zásah do výroby, případně korekci vlastního plánu. Plán i skutečný stav může být zobrazen například pomocí klasického Ganttova diagramu, na kterém je jakákoliv odchylka dobře patrná.

Cílem úkolu je vytvořit zcela univerzální postupy, které lze aplikovat v mnoha hutních závodech s různými softwarovými prostředími. Podstatou je získávání všech potřebných informací o technologických procesech v reálném čase a jejich optimální předzpracování včetně vizualizace tak, aby sloužily jako hodnotný podklad pro rozhodovací činnost dispečera případně expertního systému. Mimořádná pozornost je věnována otázkám ergonomie, interaktivity a tvorbě uživatelsky příjemného prostředí.
 

5.4. Využití informačního systému pro predikci poruch zařízení plynulého odlévání oceli

V současné době i v hutním průmyslu vystupuje do popředí otázka spolehlivosti strojů a zařízení, neboť zvyšující se ceny vstupních surovin, materiálů a energií, složitost technologických zařízení a agregátů spolu se zvyšujícím se podílem nákladů na životní cyklus zařízení zdůrazňují potřebu zabezpečování spolehlivosti výrobních zařízení a jejich prvků.

Při řešení spolehlivosti metalurgických systémů se uplatňují některé podstatné odlišnosti ve srovnání s obecnými závěry klasických prací prováděných především v elektronice, výpočetní technice, letectví a automobilovém průmyslu. Tato specifika mají vliv na volbu pracovních metod při zajišťování programu spolehlivosti, při provádění experimentů a analýz jejich výsledků. Odlišnost bývá zejména způsobena:

Ale i zde platí obecná zásada, že soustavy zabezpečující spolehlivost je nutno rozvíjet systematicky. V praxi to znamená zajistit plynulý tok informací z provozu, zpřesňovat matematickostatistické metody zpracování údajů, hledat cesty racionalizace.

Pro predikci, lokalizaci a určení stupně závažnosti poruchy jsou využity stávající informační systémy, které jsou provozovány na závodech plynulého odlévání oceli.

Jsou vytyčeny základní etapy tohoto systémového pojetí komplexní péče o bezporuchovost na zařízení plynulého odlévání oceli tzn.

6. Závěr

Vedle vědeckovýzkumných aktivit v rámci Grantové agentury ČR katedra spolupracuje s významnými metalurgickými podniky regionu při řešení aktuálních problémů z oblasti automatizace. Především se jedná o provozní měření technologických veličin, sestavování matematických modelů, návrhy informačních a řídicích systémů a pod. Dále katedra spolupracuje v rámci mezinárodní smlouvy o spolupráci s polským výzkumným ústavem slévárenství v Krakově. Programem spolupráce je stanovení rozhodovacích algoritmů pro zvýšení kvality v oblasti slévárenství a kontinuálního odlévání oceli.

7. Literatura

VROŽINA, M. a kol. 1994 - 1996. Snížení energetické náročnosti technologických procesů při využívání plynných paliv systémem komplexního řízení: Rozvojový projekt GAČR č. 101/94/1134. Ostrava : VŠB-TU, 1994 - 1996

VROŽINA, M. a kol. 1993 - 1995. Analýza akustických emisí hutních agregátů s cílem snížení hlukového zatížení prostředí: zpráva stejnojmenného rozvojového projektu GAČR č. 106/93/0022. Ostrava : VŠB-TU, 1993 - 1995

VROŽINA, M. a kol. 1997. Systémy pro algoritmizaci rozhodovacích procesů při řízení plynulého odlévání ocelí: Dílčí zpráva etapy grantového projektu GAČR č. 106/96/KO32 "Komplexní projekt technologické inovace plynulého odlévání oceli v ČR" za rok 1996. Ostrava : VŠB-TU, leden 1997

VROŽINA, M. a kol. 1998. Systémy pro algoritmizaci rozhodovacích procesů při řízení plynulého odlévání ocelí: Dílčí zpráva etapy grantového projektu GAČR č. 106/96/KO32 "Komplexní projekt technologické inovace plynulého odlévání oceli v ČR" za rok 1997. Ostrava : VŠB-TU, leden 1998