Aplikace expertních systémů v podmínkách ocelárny VÍTKOVICE STEEL, a. s.

Transkript

1 Petr Tomis a Václav Kafka b Miroslav Peter c Jiří Slováček c Libor Čamek c Tomáš Uher a Pavel Raška b Aplikace expertních systémů v podmínkách ocelárny VÍTKOVICE STEEL, a. s. a) VÍTKOVICE STEEL,a.s., Štramberská 2871/47, Ostrava, ČR b) RACIO & RACIO, Vnitřní 732, Orlová-Lutyně, ČR c) VÍTKOVICE VÝZKUM A VÝVOJ, spol. s r.o., Pohraniční 693/31, Ostrava, ČR Abstrakt Předkládaný příspěvek se zaměřuje na současný stav zavádění expertních systémů v podmínkách kyslíkové konvertorové ocelárny VÍTKOVICE STEEL, a. s. Ostrava. Systém využívá zavedený postup průběžného sledování a analýzu neúplných vlastních nákladů kyslíkových konvertorů, pánvové pece LF, skandinávské trysky SL a zařízení plynulého odlévání bram. Materiál se podrobně zaměřuje na současný stav aplikace expertního systému u kyslíkových konvertorů. Dále upozorňuje na provedené práce u pánové pece a naznačuje záměry v této oblasti u zařízení plynulého odlévání bram. 1.Úvod Obecně, s jistou volností, lze expertní systém definovat jako počítačový program využívající znalosti a zkušenosti lidského experta. Obvykle jde, opět volně řečeno, o systémy konzultační a diagnostické. Počítač na základě dialogu s uživatelem stanovuje diagnózu vzniklé situace a navrhuje řešení. Expertní systémy napodobují v určitém rozsahu schopnosti lidských expertů a uplatňují se tam, kde úspěšnost řešení je nepříznivě ovlivňována značnou nejistotou faktů, omezeními ve vzájemných souvislostech, obtížemi v hodnocení a stanovení cílů a při rozhodování v časové tísni. Především poslední z uvedených faktorů je tím dominantním, který zcela opodstatňuje zavedení expertních systémů v podmínkách ocelárny společnosti VÍTKOVICE STEEL, a. s.. Uvedená ocelárna již řadu let věnuje značnou pozornost metodám průběžného sledování vlastních nákladů. Systémy kontinuálně monitorující nákladovost výroby jednotlivých výrobních agregátů jsou již delší dobu zavedeny a přináší svoje jednoznačné pozitivní výsledky. Dominantní je především funkce rozborových sestav taveb (RST), které zahrnují komplexní ekonomické výsledky dané tavby, jejich porovnání se standardem a rozbor vzniklé nákladové odchylky. Tedy nákladového překročení nebo podkročení. To je deklarováno jak v technických jednotkách, tak i v korunách. Na uvedené RST navazují rozborové sestavy denní a dlouhodobé, které pochopitelně v delším časovém horizontu poskytují obraz o rentabilitě provozování jednotlivých výrobních agregátů. Zcela logicky je tento monitoring zakončen komplexními rozborovými sestavami ocelárny jako celku. Současný stav nákladového monitoringu a řízení přesně charakterizuje níže uvedené schéma. 1

2 2. Kyslíkové konvertory Prvním výrobním agregátem, pro který byl vývoj expertních systémů zahájen byly kyslíkové konvertory. Tyto jsou ve výrobním cyklu prvotním výrobním agregátem a z hlediska nákladovosti výroby i agregátem dominantním. Navíc jsou z hlediska variability, ve vztahu k možnostem minimalizace nákladů, ze všech výrobních agregátů nejvíce flexibilním. Dosavadní systém řízení kyslíkových konvertorů (z hlediska minimalizace nákladů) je zcela odvislý od manuálního rozboru (realizovaného operátorem) rozborových sestav taveb, kdy výše intenzifikačních faktorů (snižujících finanční náročnost výroby) je v plné míře odvislá od analýzy operátora. Stručně lze tento systém plánování taveb charakterizovat níže uvedeným zjednodušeným schématem. operátor tavič aktuální parametry plánované tavby, surového železa a šrotu technologický model rozborová sestava předchozí tavby Z uvedeného schématu je patrné, že rozborové sestavy sice operátorovi poskytují potřebné informace, ale v jeho rozhodování (z hlediska časové nouze) mu situaci moc neusnadňují. Zcela odlišná situace je při využití expertního systému, kdy komunikace mezi operátorem a expertním systémem je, jak vyplývá z níže uvedeného schématu, obousměrná. Za takto definovaného stavu expertní systém již sám analyzuje rozborové sestavy taveb a navrhuje míru uplatnění intenzifikačních faktorů. operátor tavič 2

3 aktuální parametry plánované tavby, surového železa a šrotu technologický model expertní systém Při návrhu expertního systému řešitelský kolektiv vycházel z faktu, že první výsledek ukončené tavby, který je ovlivněn hmotností strusky v pánvi, je znám do 5 min. po jejím ukončení. Vazba technologických, energetických a organizačních parametrů na nákladové zhodnocení tavby právě skončené je úspěšně využita pro řešení systému řízení plánované (budoucí) tavby. Úroveň vedení tavby v kyslíkových konvertorech je posuzována na základě vybraných ukazatelů (kvalita výstupního produktu, energetická náročnost pochodu, časová náročnost pochodu, vlastní náklady). Hodnoty těchto ukazatelů jsou ovlivněny vlastnostmi a skladbou vstupů technologického pochodu a parametry včetně podmínek průběhu vlastní tavby. Cílem je kvalitativní posun úrovně řízení ocelářské tavby spojený s realizací režimů zvyšujících efektivitu řídicích postupů, v některých případech i zpětnovazebních. Regulační zásahy pro korekci nepříznivě se vyvíjejících ekonomických ukazatelů musí být uplatňovány již v průběhu sledované tavby. Jak je známo parametry tavby by měly průběžně odpovídat standardním hodnotám. V regulačních zásazích musí být uplatněny nejen všeobecné objektivní zákonitosti pochodu, ale také subjektivní znalosti experta (taviče, operátora). Řešitelský kolektiv v rámci vývoje teoreticky navrhnul a prověřil 13 možných variant řešení. Poslední variantu řešitelský kolektiv posoudil jako vhodnou pro provozní zavedení. Ani tato varianta ovšem nebyla konečná a byla dále modifikována ve snaze umožnit aplikaci systému u co největšího počtu taveb. Výsledkem je níže pospaná varianta 13D, kterou lze schématicky charakterizovat následovně: Spuštění expertního systému Zadání aktuálních parametrů surového železa, šrotu, vyráběné oceli a technologickým modelem požadované úrovně intenzifikačních faktorů Načtení skutečné předváhy předchozí tavby, standardních parametrů surového železa a mezních hodnot a aktuálně doporučované výše intenzifikačních faktorů Výpočet koeficientů rentability na základě rozborových sestav předchozích taveb Výpočet korekčních koeficientů intenzifikačních faktorů předchozí tavby ve vztahu k odchylce skutečně dosažené teploty od plánované, k použité skladbě šrotu a jejich uložení do databáze 3

4 Výpočet korekčních koeficientů intenzifikačních faktorů pro danou tavbu na základě analýzy vývoje korekčních koeficientů taveb předchozích s ohledem na aktuální skladbu šrotu Realizace testů rentability a výše rentability jednotlivých intenzifikačních faktorů Optimalizace výše intenzifikačních faktorů s ohledem na jejich rentabilitu a aktuální technologické podmínky Korekce optimalizované výše intenzifikačních faktorů z důvodů minimalizace odchylky skutečně dosažené teploty po sfoukání od teploty požadované Doporučení konkrétní výše intenzifikačních faktorů Ukončení expertního řešení pro tavbu Uvedená modifikace systému využívá jak automatických vstupů z informačního systému ocelárny, tak aktivně komunikuje s operátorem kyslíkového konvertoru. Systém je spouštěn při přípravě tavby operátorem, a to v době kdy jsou známy výsledky chemické analýzy surového železa a údaje o jeho teplotě. Na základě těchto údajů technologický model aktualizuje potřebné množství surového železa (množství šrotu v tuto chvíli je již neměnné), akceptuje požadovanou výši předhřevu šrotu a doporučuje výši dávky hráškového koksu pro chemický ohřev. V tuto chvíli operátor zadá expertním systémem požadované údaje, který: a) na základě předchozích taveb vyhodnotí výši rentability (či nerentability) jednotlivých intenzifikačních faktorů b) stanoví aktuální výši předváhy předchozí tavby c) testuje odlišnost teploty surového železa a obsahu křemíku v něm od standardem stanovených hodnot a v případě podstandarní úrovně zvyšuje hodnoty intenzifikačních faktorů - případně až na jejich mezní hodnoty d) porovnává technologickým modelem požadované úrovně intenzifikačních faktorů s jejich technologickými mezemi a upravuje je z hlediska rentability na úrovně optimální. Pouze však do takové výše, aby hmotnost vyráběné oceli byla v požadovaném rozmezí e) ponechává na technologickém modelu výpočet dávky hráškového koksu pro chemický ohřev f) na základě vyhodnocení teplotní odchylky předchozích taveb koriguje technologickým modelem stanovenou dávku hráškového koksu ve vztahu k aktuální skladbě šrotu g) akceptuje (při rychlém výrobním cyklu, kdy se zahájením předehřevu šrotu nelze čekat na výsledky analýzy surového železa) jako jednu ze vstupních podmínek dosaženou úroveň předehřevu h) doporučuje operátorovi konkrétní výši intenzifikačních faktorů 4

5 Popsaný expertní systém byl odzkoušen na několika sériích zkušebních taveb přímo v provozních podmínkách. Následně provedené rozbory formou rozborových sestav taveb potvrdily vyšší rentabilitu takto připravovaných taveb. Během zkoušek se plně potvrdila významnost ustálenosti výrobního cyklu, a to nejen u doby jednotlivých period, ale i ve vsázkových poměrech. Zcela dominantní je vliv skladby šrotu. Skladba šrotu vedla k rozčlenění taveb do pěti možných skupin (variant). V současnosti jsou dokončovány závěrečné úpravy matematických algoritmů. Systém je v zásadě připraven k programování a následně k provoznímu ověření. 3. Pánvová pec I když před řešitelským týmem stojí ještě úkol provozního odzkoušení výše popsaného systému u KK, bylo rozhodnuto začít s vývojem obdobného systému pro pánvovou pec (LF). Zde je situace poněkud komplikovanější. Prvním úkolem pánvové pece je upravit vyrobenou tekutou fázi na požadované chemické složení a teplotu. Dalším a neméně významným je sladit výrobní takt mezi kyslíkovými konvertory a zařízením plynulého odlévání bram. V současné době byly ukončeny úvodní práce, v rámci nichž bylo detailně monitorováno zpracování skupiny taveb na LF. Výsledkem tohoto monitoringu je: a) zpřesnění jeřábových vážících systémů b) stanovení teplotních poklesů oceli v licí pánvi v závislosti na čase c) posouzení souvislostí mezi ochlazovací rychlostí, hmotností tavby a velikostí teplosměnné plochy měnící se s rostoucím stupněm opotřebení vyzdívky licí pánve d) stanovení teplotních poklesů vlivem aplikace jednotlivých přísad e) stanovení rychlostí ohřevu ve C/min. pro jednotlivé výkonové stupně f) stanovení rychlostí ohřevu v kwh/ C g) analýza odlišností ochlazovacích rychlostí ve vazbě na historií (např. doba setrvání tekuté oceli předchozí tavby v licí pánvi, doba od ukončení lití předchozí tavby po konec odpich sledované tavby na dané licí pánvi apod.) licích pánví h) analýza možného vlivu entalpie vyzdívky licí pánve i) opakované potvrzení zásadního významu ustálenosti výrobního cyklu j) metodický návrh systému monitorujícího a predikujícího vývoj teploty lázně v licí pánvi k) koncepce rychlého ohřevu na požadovanou teplotu a udržování na této teplotě (priorita kritéria tzv. provozní jistoty), dokud tavba nebude převzata zařízením plynulého odlévání Uvedené práce je skutečně nutno považovat jako úvodní, jelikož většina faktorů si vyžaduje ověření na větší skupině pokusných taveb, či podrobnější teoretický rozbor ve vztahu k reálným provozním podmínkám. Vzhledem k výstavbě nového zařízení sekundární metalurgie (ISSM) a s tím související zásadní změně způsobu provozování licích pánví, konstrukce licích pánví, způsobu zpracování oceli na postu sekundární metalurgie bylo rozhodnuto v dalších šetřeních pokračovat po zavedení a ustálení nové technologie. 4. Zařízení plynulého odlévání oceli Zařízení plynulého odlévání (ZPO) je v rámci ocelárny posledním výrobním agregátem. I na něm jsou v současnosti plně funkční příslušné rozborové sestavy využívané jak k monitoringu tak i k analýze nákladovosti. Zatím, co u předchozích výrobních agregátů jsou možnosti z hlediska ovlivnění rentability širší (hlavně na kyslíkových konvertorech), zde je situace značně komplikovanější. Jedná se totiž o zařízení s velice rigorózním systémem řízení, který pro zajištění kvality kontislitků musí být plně respektován. Není tedy možné 5

6 jakýmkoliv způsobem měnit parametry mimo vyžadované meze. Přínosem ovšem zcela jistě je, pokud požadované parametry budou nejen ve stanovených mezích, ale i s co nejmenším rozkolísáním. Nejvýznamnějším faktorem v tomto směru se jeví teplota oceli v mezipánvi. Právě na ni se řešitelský kolektiv zaměřil. V současnosti jsou k dispozici výchozí datové soubory a jejich zevrubné analýzy. Ty ukazují, že snížení rozkolísání teploty by rozhodně bylo významným přínosem. Cílem je v maximálně možné míře zabezpečit teplotu oceli v mezipánvi v rozmezí 25 až 30 C nad likvidem. V návaznosti na tento požadavek je (jsou): a) prováděno šetření přesnosti měření teploty stávajícími měřícími systémy b) posuzována možnost využití automatizovaného mechanismu pro periodické měření teploty (vždy ve stejném místě a stejné hloubce pod hladinou oceli) v mezipánvi c) posuzována možnost výpočtu teploty likvidu ve vztahu k aktuální chemické analýze oceli d) analyzován teplotní rozdíl mezi teplotou oceli posledně změřenou na pánvové peci (LF) a prvně změřenou teplotou oceli v mezipánvi e) analyzovány teplotní rozdíly mezi teplotou oceli v licí pánvi (posledně měřenou na LF) a teplotou požadovanou ZPO f) analyzován průběh standardně měřených teplot oceli v mezipánvi 5. Závěr Z uvedeného přehledu vyplývá, že práce v této oblasti jsou v úvodní fázi. Cílem předkládaného příspěvku rozhodně není poskytnout konkrétní algoritmy analýzy a zvyšování rentability výroby v ocelárně společnosti VÍTKOVICE STEEL, a. s., ale poukázat na možnosti využití ekonomických analýz v procesu výroby uplatněním expertních systémů. Ne vždy snaha po minimalizaci nákladů výroby musí nutně vést ke snížení technických parametrů výrobků. Ba naopak. Racionální přístup umožňuje rychlé odhalení technologických odchylek (finanční údaje bývají zpravidla těmi nejsledovanějšími), následné sjednání nápravy a případný vývoj a aplikaci nových systémů řízení. Uvedené příspěvek je toho zdárným příkladem. 6