Разработка автоматизированной системы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов комплекса доменных печей : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.13.06

📅 2019 год
Гурин, И. А.
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………………………… 4
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ДОМЕННЫМИ ПЕЧАМИ И ИХ КОМПЛЕКСАМИ, МЕТОДОВ ОПТИМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЫРЬЕВЫХ И ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ………………………………………………… 12
1.1 Сырьевые и теплоэнергетические аспекты современной доменной плавки . 12 1.2 Применение математических моделей в системах управления доменными печами и их комплексами …………………………………………………………………………….. 19 1.3 Состояние вопроса оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов комплекса доменных печей ……………………. 25 1.4 Постановка задач исследования ………………………………………………………………. 31
ГЛАВА 2. СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЫРЬЕВЫХ И ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В ДОМЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ………………………………………………………………………………………….. 34
2.1 Содержательная постановка задачи оптимального распределения
сырьевых и энергетических ресурсов в доменном цехе …………………………………. 34 2.2 Разработка схемы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов комплекса доменных печей ……………………. 39 2.3 Функциональная модель автоматизированной системы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов доменного
цеха ……………………………………………………………………………………………………………… 43 2.4 Выводы …………………………………………………………………………………………………… 54
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЫРЬЕВЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В КОМПЛЕКСЕ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ 55
3.1 Математическая постановка задачи …………………………………………………………. 55 3.2 Математическое обеспечение расчёта показателей, характеризующих тепловой, шлаковый и газодинамический режимы доменной плавки …………….. 60 3.3 Математическое обеспечение задачи выбора оптимального состава доменной шихты ………………………………………………………………………………………….. 76 3.4 Математическое обеспечение задачи оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов ………………………………………………………………. 80
3
3.5 Выводы …………………………………………………………………………………………………… 84
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ СЫРЬЕВЫМИ И ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ РЕСУРСАМИ КОМПЛЕКСА ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ …………………………………. 86
4.1 Методы проектирования и реализации программного обеспечения по управлению топливно-энергетическими ресурсами в доменном производстве . 86 4.2 Программное обеспечение системы оптимального распределения
сырьевых и топливно-энергетических ресурсов…………………………………………….. 98 4.3 Примеры решения задач оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в комплексе доменных печей ……………….. 111 4.4 Выводы …………………………………………………………………………………………………. 119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………… 121
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………………………… 123
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Пофакторный анализ показателей доменной плавки………. 137
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акты испытаний пакетов прикладных программ ……………. 138
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акты приёмки в опытную эксплуатацию программного обеспечения…………………………………………………………………………………………………… 148
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Акт внедрения результатов работы в учебный процесс ….. 164

Актуальность работы. Металлургическая промышленность является базовой для других отраслей – машиностроения, строительства, электротехники и других. При этом более 90 % получаемой в металлургии продукции приходится на сталь, в технологиях производства которой особое место занимает доменный процесс. Доменное производство является самым сложным в цепочке производства стали, наиболее ресурсоёмким и энергоёмким процессом.
Доменный процесс имеет высокий уровень автоматизации. Об этом свидетельствуют современные устройства и технические системы, например, засыпные аппараты с контролем уровня засыпи, системы контроля температуры колошникового газа по радиусу и окружности печи, системы контроля температуры тела холодильников и определения прогара воздушных фурм и другие средства контроля технологии доменной плавки. Для управления доменной плавкой применяются разнообразные системы управления и контроля, к которым относятся автоматизированные рабочие места, системы поддержки принятия решений, информационно-моделирующие системы, экспертные системы и др. Научной базой технических и программных средств автоматизации являются соответствующие математические модели.
Анализ используемых в настоящее время математических моделей при распределении сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в комплексе доменных печей показал, что распределение ресурсов при планировании работы построено на экспертной оценке технологического персонала, а методы их оптимального распределения практически не используются. Это определило актуальность работы и необходимость разработки соответствующей автоматизированной системы.
Степень разработанности темы исследования. Решение задач оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов комплекса агрегатов осуществляется с применением методов математического моделирования и математического программирования, широко используемых в
5
разных отраслях промышленности – металлургической, химической, энергетике и
других. Над созданием систем автоматизации и разработкой математических моделей оптимизации доменного процесса работали в разное время известные отечественные и зарубежные учёные Боковиков Б.А., Большаков В.И., Бородулин А.В., Гизатуллин Х.Н., Дмитриев А.Н., Загайнов С.А., Китаев Б.И., Курунов И.Ф., Лисиенко В.Г., Овчинников Ю.Н., Онорин О.П., Сибагатуллин С.К., Товаровский И.Г., Ченцов А.В., Шаврин С.В., Ярошенко Ю.Г. и другие.
Применяемые до настоящего времени алгоритмы оптимального распределения железорудного сырья, природного газа и технологического кислорода в доменном цехе позволяют оценивать эффективность их использования только при известном комплексе как контролируемых входных, так и выходных переменных каждой из печей и цеха в целом. Поэтому такие алгоритмы не позволяют решать задачи оптимального распределения сырьевых и топливно- энергетических ресурсов в комплексе доменных печей для проектных периодов при изменении характеристик дутья, состава и свойств загружаемых шихтовых материалов, что ограничивает область их применения.
Цель работы. Снижение затрат на доменный передел и повышение его энергоэффективности на основе разработки и применения новых методов и алгоритмов оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в доменном производстве, прогнозирования работы комплекса доменных печей в условиях изменения конъюнктуры рынка сырья и топлива, нестабильности состава и свойств проплавляемого железорудного сырья.
Задачи исследования:
1. Анализподходовиметодовоптимальногораспределениясырьевыхитопливно- энергетических ресурсов в комплексе доменных печей. Развитие метода оптимального распределения ресурсов на основе натурно-математического моделирования, использования физико-химических закономерностей процессов и принципа малых отклонений выходных переменных и переменных состояния в окрестностях базового режима с целью прогнозирования работы отдельных печей и цеха в целом.

6
2. Разработка алгоритма оптимального распределения сырья и топлива с учётом
требований технологического персонала на основе созданного метода и функциональной модели применительно к комплексу доменных печей при изменении характеристик дутья, состава и свойств проплавляемого железорудного сырья и топлива в виде блок-схем и программного модуля библиотеки классов.
3. Разработка автоматизированной системы оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в комплексе доменных печей с учётом требований, предъявляемых к современным информационным системам.
4. Интеграциясистемывавтоматизированнуюсистемуанализаипрогнозирования производственных ситуаций доменного цеха. Модельные испытания разработанной автоматизированной системы.
Научная новизна:
1. Метод оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в организационно-технологической системе доменного цеха, отличающийся интеграцией физико-химических закономерностей основных процессов объекта управления и пересчётных моделей. Метод включает формирование базовых режимов системы управления, определение коэффициентов модели путём линеаризации модели в окрестностях базовых режимов, возможность прогнозирования работы отдельных печей и цеха в целом при изменяющихся условиях их функционирования и проверку выполнения технологических и сырьевых ограничений.
2. Структураалгоритмаоптимальногораспределениясырьяитопливавкомплексе доменных печей, отличающаяся декомпозицией задачи оптимизации, формированием базовых режимов функционирования доменных печей на интервале не менее одного месяца с последующей возможностью их коррекции путём выбора периодов, аналогичных прогнозному по режимным параметрам и свойствам шихтовых материалов.

7
3. Метод решения сложных математических задач при разработке ПО
автоматизированных систем, отличающийся синтезом пакетов прикладных программ со специализированным ПО, предназначенным для моделирования процессов в отдельных технологических агрегатах, и с внешними математическими пакетами с целью использования имеющихся в них алгоритмов решения математических задач.
4. Результаты модельных испытаний и опытной эксплуатации разработанных алгоритмов и автоматизированной системы, показывающие возможность повышения технико-экономических показателей работы цеха без улучшения показателей на всех без исключения доменных печах.
Теоретическая значимость заключается в возможности использования
разработанных методов:

распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов комплекса доменных печей при планировании работы цеха в условиях нестабильности состава и свойств проплавляемого железорудного сырья и топлива с учётом технологических ограничений и конструктивных особенностей работы отдельных печей, ограничений на топливно-энергетические и сырьевые ресурсы доменного цеха.
решения математических задач на основе синтеза со специализированными пакетами прикладных программ при разработке ПО автоматизированных систем.

Практическая значимость заключается в возможности использования научных и практических результатов исследования:
– при решении задач оптимального распределения сырьевых и топливно-
энергетических ресурсов в доменном производстве;
– при разработке математического и программного обеспечения
автоматизированных систем для управления сложными технологическими
объектами и их комплексами в металлургии;
– в преподавании дисциплин для студентов вузов соответствующих
специальностей.

8
Реализация результатов работы. Программное обеспечение «Оптимизация
распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей» передано для промышленных испытаний управлению информационных технологий ПАО «ММК». Программные блоки «Расчёт выхода конечного шлака, диагностики шлакового режима, оценки десульфурирующей способности шлака, расчет прогнозного содержания серы в чугуне», «Расчёт оптимального состава доменной шихты при заданных свойствах конечного шлака» и «Расчёт показателей хода тепловых, восстановительных процессов и коэффициентов влияния свойств железорудного сырья, кокса, дутьевых параметров на показатели плавки» приняты доменным цехом ПАО «ММК» в опытную эксплуатацию.
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» для подготовки магистров по направлениям 09.04.02 «Информационные системы и технологии», 22.04.02 «Металлургия»; бакалавров по направлению 09.03.02 «Информационные системы и технологии».
Методология и методы исследования базируются на: структурном анализе; физико-химических закономерностях основных процессов, протекающих в доменной печи; использовании методов математического моделирования доменного процесса и математического программирования; современных принципах разработки алгоритмического и программного обеспечения автоматизированных систем управления сложными технологическими процессами и комплексами агрегатов в металлургии.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод оптимального распределения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в доменном цехе, отличающийся интеграцией физико-химических закономерностей основных процессов объекта управления и пересчётных моделей, включающий возможность прогнозирования работы отдельных печей и цеха в целом при изменяющихся условиях их функционирования.
2. Алгоритмоптимальногораспределениясырьяитопливавкомплекседоменных печей, отличающийся декомпозицией задачи оптимизации, формированием

9
базовых режимов функционирования доменных печей и их коррекцией путём
выбора периодов, аналогичных прогнозному.
3. Метод решения сложных математических задач при разработке ПО
автоматизированных систем, отличающийся синтезом пакетов прикладных программ со специализированным ПО, предназначенным для моделирования процессов.
4. Результаты исследования методов управления распределением сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в доменном производстве в изменяющихся сырьевых условиях, обеспечивающие повышение технико-экономических показателей доменной плавки.
Соответствие паспорту специальности. В диссертации представлены
математическое, информационное и программное обеспечение автоматизированный системы управления производством (АСУП) доменного цеха, методология исследования и проектирования, формализованное описание и алгоритмы, оптимизация и имитационное моделирование функционирования систем. Разработанная система оптимального распределения сырьевых и топливно- энергетических ресурсов комплекса доменных печей предназначена для интеллектуальной поддержки процессов управления доменным производством. Диссертация соответствует областям исследования 4, 9 и 10 паспорта научной специальности 05.13.06.
Личный вклад соискателя состоит в разработке математического обеспечения для оптимального распределения сырьевых и топливно- энергетических ресурсов в доменном производстве; разработке функциональной модели автоматизированной системы оптимального распределения ресурсов в комплексе доменных печей; разработке соответствующего программного обеспечения; в исследовании методов управления распределением сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в доменном производстве при изменяющихся сырьевых условиях, обеспечивающих повышение технико-экономических показателей доменной плавки; обобщении и научном обосновании полученных результатов, формулировке выводов и рекомендаций.

10
Достоверность научных результатов. Обоснованность научных положений
обеспечивается соответствием полученных результатов современным знаниям о закономерностях доменного процесса, сопоставлением результатов моделирования с производственными данными, использованием современных методов и средств разработки программного обеспечения. Подтверждается положительной оценкой теоретических и практических исследований на научных семинарах и конференциях.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследования представлены на следующих конференциях: VII Международная научно- практическая конференция «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология» (Москва, 2014); научно-практическая конференция с международным участием «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (Екатеринбург, 2015); VIII Международная научно-практическая конференция «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии в промышленности. 100 лет отечественного проектирования металлургических печей» (Москва, 2016); IV Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Моделирование и наукоемкие информационные технологии в технических и социально-экономических системах» (Новокузнецк, 2016); II Международная научно-практическая конференция «Современные научные достижения металлургической теплотехники и их реализация в промышленности» (Екатеринбург, 2017); X и XI Всероссийские научно-практические конференции с международным участием «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2015, 2017); V, VI и VII Всероссийские научно- практические конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве» (Екатеринбург, 2016, 2017, 2018).
По теме диссертации опубликовано 19 статей, из них семь статей в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, из которых четыре представлены в реферативной базе данных Scopus. Три научных доклада

11
конференций проиндексированы в базах данных Scopus и Web Of Science. Также
получено два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 136 страницах основного машинописного текста, включает 30 рисунков, 6 таблиц и 4 приложения. Состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из
124 источников.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Петр П. кандидат наук
    4.2 (25 отзывов)
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт напис... Читать все
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт написания магистерских диссертаций. Направление - связь, телекоммуникации, информационная безопасность, информационные технологии, экономика. Пишу научные статьи уровня ВАК и РИНЦ. Работаю техническим директором интернет-провайдера, имею опыт работы ведущим сотрудником отдела информационной безопасности филиала одного из крупнейших банков. Образование - высшее профессиональное (в 2006 году окончил военную Академию связи в г. Санкт-Петербурге), послевузовское профессиональное (в 2018 году окончил аспирантуру Уральского федерального университета). Защитил диссертацию на соискание степени "кандидат технических наук" в 2020 году. В качестве хобби преподаю. Дисциплины - сети ЭВМ и телекоммуникации, информационная безопасность объектов критической информационной инфраструктуры.
    #Кандидатские #Магистерские
    33 Выполненных работы
    Егор В. кандидат наук, доцент
    5 (428 отзывов)
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Ск... Читать все
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Скорее всего Ваш заказ будет выполнен раньше срока.
    #Кандидатские #Магистерские
    694 Выполненных работы
    Евгения Р.
    5 (188 отзывов)
    Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и со... Читать все
    Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и создаю красивые презентации. Сопровождаю работы до сдачи, на связи 24/7 ?
    #Кандидатские #Магистерские
    359 Выполненных работ
    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ
    Елена Л. РЭУ им. Г. В. Плеханова 2009, Управления и коммерции, пре...
    4.8 (211 отзывов)
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно исполь... Читать все
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно использую в работе графический материал (графики рисунки, диаграммы) и таблицы.
    #Кандидатские #Магистерские
    362 Выполненных работы
    Анна К. ТГПУ им.ЛН.Толстого 2010, ФИСиГН, выпускник
    4.6 (30 отзывов)
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помог... Читать все
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помогала студентам, вышедшим на меня по рекомендации.
    #Кандидатские #Магистерские
    37 Выполненных работ
    Екатерина Д.
    4.8 (37 отзывов)
    Более 5 лет помогаю в написании работ от простых учебных заданий и магистерских диссертаций до реальных бизнес-планов и проектов для открытия своего дела. Имею два об... Читать все
    Более 5 лет помогаю в написании работ от простых учебных заданий и магистерских диссертаций до реальных бизнес-планов и проектов для открытия своего дела. Имею два образования: экономист-менеджер и маркетолог. Буду рада помочь и Вам.
    #Кандидатские #Магистерские
    55 Выполненных работ
    Катерина М. кандидат наук, доцент
    4.9 (522 отзыва)
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    #Кандидатские #Магистерские
    836 Выполненных работ
    Олег Н. Томский политехнический университет 2000, Инженерно-эконо...
    4.7 (96 отзывов)
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Явл... Читать все
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Являюсь действующим преподавателем одного из ВУЗов.
    #Кандидатские #Магистерские
    177 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету

    Развитие методов и алгоритмов теории подобия для систем управления
    📅 2021год
    🏢 ФГБОУ ВО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»
    Модели устройств защитного отключения в автоматизированных системах предотвращения пожаров электрооборудования промышленных предприятий Вьетнама
    📅 2021год
    🏢 ФГБОУ ВО «Академия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий»