Problematika plánování na kyslíkové ocelárně

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 266 Problematika plánování na kyslíkové ocelárně OVČÁČÍKOVÁ, Romana 1, HEGER, Milan 2 1 Ing., Ph.D., Katedra 638, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava - Poruba, 708 33 Romana.Ovcacikova@vsb.cz, 2 Doc., Ing., CSc., Katedra 638, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava - Poruba, 708 33 Milan.Heger@vsb.cz, Abstrakt: Příspěvek se zabývá problematikou plánování taveb na ocelárnách s propojením systému údržby tak, aby cíl řízení byl optimální (maximální délky licích sekvencí, minimální čekací doby konvertorů, maximální dosažitelná jakost, atd.). Soudobé přístupy teorie rozvrhování se zaměřují především na jednodušší výrobní procesy. Ocelářský výrobní proces je však daleko složitější a vyžaduje specifické řešení. Celý systém řízení MCS (Metallurgical Control System) je vytvářen jako expertní systém zahrnující systém MPS (Metallurgical Planning System) a systém MSCM (Metallurgical System Control Maintenance). Významnou částí báze znalostí vytvářeného systémem MCS je úplný časově-logistický model výroby a zpracování oceli na dané časové období. Tento model je vytvářen systémem MPS, který k tvorbě modelu využívá expertního systému doplněného standardními numerickými procedurami a údaji ze systému MSCM. Cílem je pak propojení systému MSCM na komplexní řídicí proces a začlenění požadavků ze systému údržby do systému plánování tak, aby nedošlo k narušení původního plánu výroby. Klíčová slova: plánování, ocelárna, expertní systém, řízení technologických procesů 1 Úvod V dnešní složité ekonomické situaci metalurgických podniků musí být rozvoj výroby založen nejen na budování nových, technicky dokonalých výrobních kapacit, modernizaci stávajícího zařízení a zavádění progresivních technologií, založených na nejnovějších poznatcích vědy a techniky, ale rovněž také na hledání rezerv v oblasti řízení výrobních procesů. Úspěšnost hutního podniku je pak dána i pohotovostí a disponibilitou metalurgických agregátů a úspěšností splněných výrobních plánů a údržbářských zásahů. Proto i oblast údržby musí být vybavena vhodnými nástroji pro operativní dlouhodobé plánování, sledování a aktualizaci termínů a kapacit. V souvislosti s procesem efektivní racionalizace řízení a údržby výrobního procesu je významným předpokladem aplikace moderních metod v oblasti výrobního rozvrhování s nutností analýzy veškerých aspektů procesů plánování a následného vyhodnocování. 2 Problematika výrobního rozvrhování Základem výrobního rozvrhování procesu výroby a zpracování oceli je specifikace taveb, tzn. stanovení značky oceli, požadovaného množství a rozměru odlitku. Osobitým znakem tohoto procesu je délka období na které jsou odběratelé schopni specifikovat své zakázky. V našich konkrétních podmínkách je to asi měsíc. Tento poměrně krátký horizont je zapříčiněn několika faktory:

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 267 výrobní cyklus včetně mimopecního zpracování oceli a zpracování na zařízení pro plynulé lití trvá v ocelárně řádově jen několik hodin, detailní technologické předpisy pro obvyklý sortiment vyráběných jakostí jsou předem připraveny, tedy výroba nevyžaduje speciální technickou a technologickou přípravu, výrobní možnosti jsou dány především momentálním technickým stavem výrobních zařízení a disponibilitou některých surovin, časté změny ve výrobních programech, převážně vnitropodnikových odběratelů oceli, nedovolují i při eventuální znalosti zakázkové náplně na delší dobu objednávat ocel v delších než měsíčních intervalech. Dalším faktorem, ovlivňujícím přístup k výrobnímu rozvrhování v ocelárnách, je fyzikálně chemický charakter výrobního pochodu. Jeho stochastický efekt je znásoben nedokonalou znalostí množství surovin, chemického složení, nespolehlivostí lidského faktoru apod. Uvedené okolnosti zavádějí do výrobního rozvrhování silný prvek nejistot, projevující se nejen nutností změny vyráběné jakosti během tavby, ale i během průchodu sekundární metalurgií a tím je následně ovlivněna i rychlost konečného zpracování na zařízení plynulého odlévání oceli. Všechny uvedené faktory ukazují na nutnost reorganizace v pojetí výrobního rozvrhování v ocelárnách pomocí tradičních metod operačního výzkumu. Časově-logistické modely, které jsou výsledkem výrobního rozvrhování, mají v současnosti statistický charakter, tzn. jsou založeny na apriorní znalosti dopravní trasy vyráběné značky a parametry procesu jsou stanoveny regresní analýzou velkého počtu měřených dat na řízeném systému za určitých podmínek. Jestliže však systém vybočí z rozsahu v němž se pohybovaly výpočty parametrů, přestane model odpovídat skutečnosti. Proto se v současnosti často využívá inkrementního časově-logistického modelu, kde parametry procesu jsou po naměření další hodnoty znovu přepočítávány. K tomuto výpočtu se použijí hodnoty z přímo předcházejících časových úseků a nejnovější informace vstupují do souboru jako informační přírůstek, kdežto nejstarší informace jsou ze souboru vyloučeny. Výhodou tohoto přístupu je trvalá úroveň aktuálnosti modelu. Tyto modely nemohou vyhovovat současným zvyšujícím se požadavkům na úroveň výrobního rozvrhování procesu výroby a zpracování oceli, neboť v souvislosti se zvyšujícími se specifickými požadavky zákazníků na chemické složení vyráběné oceli vzrůstá úměrně složitost procesu výrobního rozvrhování a tedy dnešní požadavky převyšují možnosti klasických metod operační analýzy, které byly vytvořeny pro principiálně jednodušší procesy. Přes mnohé společné rysy s těmito procesy má ocelárenský proces i řadu odlišností, a proto při řešení problematiky výrobního rozvrhování v ocelárnách musíme jít jednak cestou moderních netypických rozvrhovacích postupů, jednak cestou přípustných zjednodušení, umožňující přiblížení k vlastnostem jednodušších procesů. 3 MCS Metalurgický řídicí systém Ve spolupráci s regionálními metalurgickými podniky byla řešena problematika algoritmizace optimalizačních úloh a prognostiky s cílem předkládat alternativní řešení při změnách výrobní situace proti plánovanému stavu při poruchách, haváriích, včetně návrhu nejvhodnějšího postupu pracovníkům dispečinku a tím minimalizovat negativní vliv lidského faktoru při rozhodovacích procesech. A protože proces výroby a zpracování oceli probíhá při vysokých teplotách, je existence prostojů kdekoli během výrobního cyklu, kdy dochází k velkým energetickým ztrátám nadmíru nežádoucí. Navrhovaný systém plánování by tedy měl zajistit bezprostřední návaznosti veškerých operací výroby oceli, tedy tavení v peci, zpracování sekundární metalurgií a zpracování na zařízení plynulého odlévání oceli a zároveň zahrnout systém údržby, jako soubor plánovaných preventivních oprav tak, aby soubor výrobních postupů, který při řízení výroby oceli na kyslíkové konvertorové ocelárně probíhá, byl z hlediska časových prodlev optimální.

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 268 Základními požadavky na operativní řízení při procesu výroby a zpracování oceli jsou především maximalizace délky licích sekvencí, minimalizace změn mezipánve v sekvenci ( tzn. maximalizaci doby použití každé mezipánve, kdy omezením je doba životnosti mezipánve), minimalizace odchylek v šířkách licích formátů v sekvenci, neporušení technologických pravidel a minimalizace čekací doby konvertorů. Všechny tyto faktory mají přímý dopad na výrobní náklady: velké odchylky v šířkách licích formátů, změny mezipánví, oddělování jakostí vedou k plýtvání materiálem. Nedodržení metalurgických omezení může mít za následek, že výrobky neodpovídají žádaným zakázkám. Maximalizace výkonnosti zmenšuje výrobní náklady. Systém MCS (Metallurgical Control System, viz Obr.1.) je vytvářen jako expertní systém zahrnující systém MPS (Metallurgical Planning System) a systém MSCM (Metallurgical System Control Maintenance). Obr. 1. Datové toky systému MCS Vysvětlivky: MCS (Metallurgical Control System) systém pro podporu rozhodovacích procesů MPS (Metallurgical Planning System) systém pro podporu výrobního rozhodování MCSM (Metallurgical System Control Maintenance) systém pro podporu řízení údržby 4 MPS Metalurgický plánovací systém Významnou částí báze znalostí vytvářeného systémem MCS musí být úplný časovětechnologický model výroby a zpracování oceli na dané časové období. Tento model je vytvářen systémem MPS, který k tvorbě modelu využívá expertního systému doplněného standardními numerickými procedurami a údaji ze systému MSCM. Systém MPS lze rozdělit na následující subsystémy: subsystém stanovení začátku první tavby na konvertorech pro zvolené časové období, subsystém stanovení dopravní cesty tavby, subsystém testování disponibility jednotlivých agregátů, subsystém stanovení dob technologických operací a výstupních chemických analýz, subsystém stanovení celkové doby výroby a zpracování tavby, subsystém stanovení délky odlévání tavby na zařízení plynulého odlévání,

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 269 subsystém vytvoření a verifikace plánu taveb. Vstupní a výstupní údaje, které jednotlivé subsystémy využívají jsou soustředěny v bázi dat, s kterou pracují i MCSM a MCS. Vybrané datové údaje lze rozdělit do těchto databázových kategorií: databáze detailních technologických předpisů, databáze technologií, databáze dopravních cest, databáze řízení. Princip systému MPS spočívá v tom, že po stanovení definitivní technologické dopravní cesty každé tavby jsou pomocí expertního systému stanoveny doby jednotlivých technologických operací a výstupní chemické složení tavby po dané technologické operaci. Součet dob všech technologických a dopravních operací nám udává čas přistavení tavby na ZPO, resp. čas začátku zpracování následující tavby na kyslíkovém konvertoru při dodržení všech technologických omezení a při udržení sekvence odlévání taveb. Jak již bylo řečeno, ke stanovení dob technologických operací na jednotlivých agregátech a výstupních chemických analýz je užit expertní systém. Princip činnosti expertního systému spočívá v tom, že na základě detailní analýzy každé technologické operace a ve spolupráci s provozními pracovníky byly pro každou operaci vybrány nejdůležitější technologické veličiny ovlivňující dobu této operace. Tyto veličiny pak v systému představují vstupní nezávislé lingvistické proměnné reprezentované fuzzy množinami s aproximovanými lomenými úseky. Po zadání vstupních hodnot dotazu systém vykreslí odpověď do funkce příslušnosti jednotlivých hodnot závislé proměnné, kde následnou defuzzifikací jsou tyto hodnoty z grafické podoby převedeny do číselné podoby, v tomto případě na dobu trvání technologické operace. Jestliže je známa doba trvání technologické operace, je na základě technologických parametrů výrobní operace a na základě vstupní chemické analýzy analogicky stanovena základní výstupní chemická analýza tavby. Výsledkem činnosti systému MPS je časově-technologický model ve formě tabulky, která zachycuje závislost posloupnosti taveb a jejich časové vymezení na jednotlivých technologických agregátech. Grafická podoba tohoto výsledku je uvedena na Obr. 2. Operace v LD1 Odpich na LD1 Operace v LD2 Odpich na LD2 Transport Operace SHIP Transport Operace LF Transport Operace DH Příprava ZPO Lití na ZPO 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 Technologické uzly tavba 1 tavba 2 tavba 3 tavba 4 tavba 5 Čas [HH:MM] Obr. 2 Příklad výsledku systému MPS v grafické podobě

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 270 Časově-technologický model tedy obsahuje základní informace o plánu výroby pro stanovenou sekvenci taveb. Z hlediska realizace systému MCS, tzn. podpory rozhodování při operativním řízení kyslíkové ocelárny, je ho pak možno začlenit do funkční struktury následovně ( obr. 3.). Subsystém analýzy technologických a časových veličin ČASOVĚ TECHNOLOGICKÝ MODEL Subsystém volby řídícího zásahu Zásahy na ocelářských pecích Zásahy na mimopecním zpracování Zásahy na plynulém odlévání Kombinované zásahy Subsystém kvantifikace zvoleného řídícího zásahu Obr. 3. Funkční struktura systému MCS Kde úkolem subsystému volby řídicího zásahu a subsystému kvantifikace řídicích zásahů je na základě vstupních veličin navrhnout typ a velikost akčního zásahu, který zajistí splnění cíle řízení (udržení lití v sekvenci). Příkladem může být doporučení zvýšení licí rychlosti licího proudu (obr. 4.). Změna licí rychlosti v závislosti na čase odlévání oceli 0,75 1. tavba sekvence 2. tavba sekvence 3. tavba sekvence 4. tavba sekvence 0,70 0,70 0,69 0,65 0,66 0,65 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,63 Licí rychlost [m/min] 0,60 0,55 0,57 0,56 0,55 0,55 0,57 0,58 0,61 0,60 0,50 0,49 0,45 0,40 0:06 0:07 0:38 1:00 1:01 1:23 1:45 2:04 2:14 2:35 2:55 3:20 3:21 3:29 3:47 3:48 4:07 4:27 4:38 Čas lití [hh:mm] Obr. 4. Změna licí rychlosti v závislosti na čase odlévání oceli

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 271 Po zadaní hodnot vstupního dotazu model pro kvantifikaci vykreslí odpověď - funkci příslušnosti výstupní proměnné a následnou defuzzifikací je z grafické podoby získána hodnota ostré výstupní veličiny, z níž je vytvořeno doporučení operátorovi (obr. 5.). Subsystémy jsou řešeny jako expertní systémy, tzn. počítačové programy, v nichž jsou simulovány činnosti experta specialisty. Jejich architektura vychází z obecně známé konfigurace znalostních systémů, tzn. báze dat, báze znalostí, inferenční mechanismus, komunikační modul a vysvětlovací modul. Obr. 5. Výstupní obrazovka expertního systému 5 MSCM Metalurgický systém údržby Do problematiky plánování na kyslíkové ocelárně je nutno zahrnout i metalurgický systém údržby MSCM, který hodnotí spolehlivost technologických systémů a zařízení. A z těchto výsledků je stanovován optimální strategie preventivní údržby a optimální interval preventivních prohlídek. Snahou je předcházet poruchám a haváriím, které mohou ohrozit zdraví a život obsluhy, ale také ekonomickým ztrátám, které z nepředvídaného výpadku výroby plynou. Je řešen v rámci projektu GAČR 106/02/0086 Racionalizace údržby metalurgických agregátů s využitím modelů spolehlivosti a s uplatněním komplexních přístupů při realizaci. V souvislosti s návrhem plánu výroby jsou na základě báze znalostí MSCM systému a báze dat doporučeny doby předpokládaných oprav a údržbářských zásahů, které na jednotlivých agregátech musí být provedeny. Na základě vyhodnocení pak bude systém MPS rozšířen o tyto informace, které zajistí komplexní podporu rozvrhování výroby na metalurgickém provozu. 6 Závěr Problematika plánování spolu s řešením rozhodovacích procesů při řízení plynulého odlévání oceli představuje mnohorozměrovou úlohu, kterou je nutno řešit v postupných krocích, po jednotlivých dílčích subsystémech, avšak s ohledem na existující vazby. Jedním z významných subsystémů metalurgického systému řízení MCS je metalurgický plánovací systém MPS, určený pro tvorbu časově-technologického modelu výroby a zpracovaní oceli na ocelárně.

XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 272 Protože řešení této úlohy klasickými metodami operačního výzkumu a teorie rozvrhování je málo efektivní, jsou zkoumány možnosti aplikace metod umělé inteligence. Jako příklad takového přístupu k řešení může sloužit právě tvorba zmíněného časově-technologického modelu, při kterém jsou kombinovány přednosti klasických metod s metodami umělé inteligence. Cílem je průběžně zlepšovat bázi znalostí a bázi tak, aby rozhodovací činnost byla operátorům usnadněna, aby se zlepšila jejich kvalita a vznikly žádoucí ekonomické přínosy. Problematika plánování na kyslíkové ocelárně je řešena v rámci grantového projektu GAČR 106/03/P159 Využití moderních metod operativního řízení při racionalizaci údržby metalurgických agregátů a nosného grantového projektu GAČR 106/02/0086 Racionalizace údržby metalurgických agregátů s využitím modelů spolehlivosti a s uplatněním komplexních přístupů při realizaci. 7 Literatura VROŽINA, M. Racionalizace údržby metalurgických agregátů s využitím modelů spolehlivosti a s uplatněním komplexních přístupů při realizaci. GAČR 106/02/0086, Ostrava, 2002. VROŽINA M., A KOL.: Model pro podporu operativního řízení na ocelárně. Sborník konference MOSIS 2002, str. 27-32, Rožnov pod Radhoštěm, ISBN 80-85988-72-0. OVČÁČÍKOVÁ, R.: Časově technologický model řízení toku materiálu na ocelárně. Ostrava: VŠB TU, 2002. 91s. Disertační práce.