Вступ
На сьогоднішній день доменне виробництво є основою чорної металургії. Незважаючи на ряд істотних недоліків, таких як необхідність коксохімічного виробництва й збагачення залізної руди, безліч проблем екологічного характеру, висока вартість обслуговування й ремонту виробничого встаткування, реальної альтернативи для швидкої відмови від існуючих технологій поки не існує. Тому гостро коштують питання оптимізації доменного виробництва, пошуку шляхів підвищення його ефективності, економічності й безпеки.
Використання сучасних технологічних досягнень уже дозволило успішно розв'язати деякі проблеми, але багато чого ще необхідно розглянути й знайти шляхи для вдосконалювання.
Мети й задачі
Предметом даної випускної роботи є розробка й реалізації алгоритмів для системи автоматичного спостереження й автоматичного виявлення ушкоджень і порушень функціонування лоткового механізму системи завантаження доменних печей.
У якості джерела інформації про стан об'єкта діагностики використовуються дані, що надходять від системи інфрачервоної термографії, установлюваної на доменних печах.
Актуальність теми
Досвід вітчизняних і закордонних підприємств металургійного комплексу показує, що в умовах твердої конкуренції на світовому ринку металопродукції, необхідно постійний розвиток і вдосконалення процесу виробництва, впровадження нових технологій, систем автоматизації й діагностики, що дозволить підвищити якість продукції, знизити фінансові витрати й тим самим підвищити ефективність металургійного виробництва.
У сучасних умовах розвиток металургії характеризується створенням, впровадженням і широким використанням інформаційних систем і технологій. Основою для таких інформаційних технологій є комп'ютери й комп'ютерні комунікації, програмне забезпечення яких дозволяє вирішувати велика кількість різноманітних проблем. Комплекс обеспечивающий функционирование производства состоит из множества систем: сбора и хранения информации в базах данных, автоматического анализа и принятия решений и множества других [1].
Технологія доменного виробництва характеризується величезним числом (десятки тисяч) різноманітних параметрів, які необхідно враховувати на різних етапах роботи. На жаль, дотепер не існує повністю автоматизованих систем керування доменним виробництвом. Розвиток інформаційних технологій дає можливість для створення систем контролю протікання технологічних процесів, аналізу одержуваної інформації, але повністю виключити людський контроль поки не вдається. Це пояснюється тим, що в процесі роботи доменної печі виникає безліч ситуацій, у яких неможливо шаблонове прийняття рішень. Персонал підприємства, відповідальний за забезпечення безперервної роботи, змушений найчастіше ухвалювати розв'язок в умовах недостатності інформації, опираючись на припущення й власний досвід. Нестача даних про процеси, що протікають у доменній печі, викликана використовуваними системами спостереження, жодна з яких не дозволяє з повною впевненістю говорити про те, що відбувається усередині домни в кожний момент часу [2].
Таким чином, створення системи, яка б дозволила вірогідно фіксувати стану технологічного процесу вже великий крок до повної автоматизації виробництва.
Важливу роль відіграє перевірка стану різних елементів виробничої структури, виявлення неполадок, а також діагностика можливої їхньої появи.
Розповсюдженою проблемою доменних печей, обладнаних системою завантаження лоткового типу, є можливе ушкодження самого механізму завантаження. Серед таких проблем можливі: обрив лотка, прогар поверхні лотка, заклинювання механізму й інші. Усе це приводить до порушення процесу плавки, одержанню бракованої продукції й, з великою ймовірністю, до ушкодження самої печі, що спричиняє зупинку виробництва й ремонт. При цьому підприємство несе величезні фінансові витрати.
Сьогодні існує велика кількість різних систем для збору інформації про процес протікання доменної плавки, наприклад для визначення температури поверхні засипу в домні широко поширене використання термозондів, які встановлюються безпосередньо в колошнику на невеликій відстані над самим зависипом. Останнім часом також одержали популярність безконтактні рівнеміри, що використовують радіометричний і радарний микрохвильовий принцип контролю рівня профілю зависипи. На ряді доменних печей впроваджена система контролю діагностики розпалу горна, яка містить у собі спеціальні термодатчики, установлювані по довжині блоків при заміні кладки печі.
На жаль, більшість використовуваних сьогодні методів мають істотні недоліки. От деякі властиві різним методам:
- висока погрішність вимірів (наприклад, фіксування більш високої температури газів і пили, а не поверхні засипу);
- неповнота надаваної інформації;
- висока вартість устаткування, його монтажу;
- неможливість обслуговування без зупинки доменної печі;
- небезпека для персоналу (наприклад, використання рентген-випромінювання).
Застосування комплексу інфрачервоної термографії дозволяє проводити спостереження за процесами, які відбуваються на поверхні засипу доменної печі й над нею [3] [4]. Така система дозволяє контролювати безліч параметрів технологічного процесу: температури поверхні засипу, її висоту, визначати швидкість сходу шихтових матеріалів, одержувати виставу про розподіл потоків газу й деякі інші особливості [5]. До недоліків методу можна віднести складні алгоритми програмної обробки зображень (проблеми запыленности, боротьби із засвіченням зображення гарячими газами), а також деяких ключових вузлів апаратного забезпечення.
Серед інших корисних можливостей такої системи важливої є можливість візуального спостереження за внутрішнім станом доменної печі. Одержуване зображення також містить інформацію про поточний стан лотка механізму завантаження печі. Це дає операторові можливість помітити неполадки, пов'язані із системою завантаження, контролювати цілісність і справність лотка. Розробка системи, яка на основі використання теорії розпізнавання образів дозволить виконувати такий контроль автоматично без участі людини, доповнить украй важливою складовою частиною АСУ доменного виробництва. Дослідження й створення таких алгоритмів і є метою даної роботи.
Таким чином, створення систем автоматизації й контролю роботи доменної печі, що дозволяють підвищити ефективність і безпека виробництва, є актуальною задачею.
Наукова новизна
Наукова новизна даної роботи полягає в проведених дослідженнях і сформульованій методиці контролю цілісності лоткового механізму системи завантаження доменної печі, а також у розроблених алгоритмах, необхідних для реалізації поставленого завдання.
Практична цінність
Практична цінність роботи полягає в тому, що її результати дозволяють створити реальну систему контролю, яка підвищить надійність і економічну ефективність доменного виробництва, надаючи засобу діагностування певного числа несправностей, з метою своєчасного їхнього усунення без аварійних ушкоджень домен і тривалого їхнього простою.
Огляд технологій і змісту роботи
У роботі використовується метод інфрачервоної термографії. Інфрачервона термографія (теплове зображення або теплове відео) - це спосіб одержання зображення в інфрачервоних променях (термограммы), що відображає розподіл температурних полів [6]. Термографічні камери дозволяють виявити випромінювання в інфрачервоному діапазоні електромагнітного спектра (близько 900-14 000 нм) і на основі цього побудувати зображення. Інфрачервоне випромінювання випускається всіма об'єктами, у яких є температура, термографія дозволяє "бачити" навколишнє середовище. З підвищенням температури, збільшується величина випромінювання, тому термографія дозволяє фіксувати відмінності в температурі об'єктів [7] [8].
Уже сьогодні термографія має дуже широке застосування. Деякі застосування:
- моніторинг умов;
- медична візуалізація;
- виявлення забруднень;
- пошукові й рятувальні операції;
- нічне бачення;
- керування процесами;
- хімічна візуалізація.
Стосовно до теми даної роботи, важливим є використання термографії для неруйнуючого контролю (non-destructive testing). Під цим розуміється контроль властивостей і параметрів досліджуваного об'єкта, при якім не повинна бути порушена придатність об'єкта до використання й експлуатації [9]. Прикладом такої системи, у якій також використовується інфрачервона термографія, може служити встаткування для моніторингу справності механічних систем [10].
На малюнках 1 і 2 наведений знімок, отриманий від системи інфрачервоної термографії, установленої на доменній печі. Угорі можна спостерігати лоток системи завантаження домни.
Рисунок 1 — Знімок засипу домни, отриманий інфрачервоною камерою
(ОАО «Алчевский металлургический комбинат»)
Рисунок 2 — Знімок засипу домни, отриманий інфрачервоною камерою
(цветовая модель HSV) (ОАО «Алчевский металлургический комбинат»)
Із зображень видне, що лоток механізму завантаження чітко видне, завдяки тому, що його температура суттєво нижче температури поверхні засипу й стін домни, на тлі яких він знятий.
Завдання, яке необхідно розв'язати в даній роботі, полягає у виявленні на зображенні лотка, визначенні його положення й діагностуванні цілісності. Для цього застосовується теорія розпізнавання образів.
Теорія розпізнавання образів - це розділ кібернетики, що розбудовує теоретичні основи й методи класифікації й ідентифікації предметів, явищ, процесів, сигналів і інших об'єктів, які характеризуються кінцевим набором деяких властивостей і ознак [11]. Вихідним матеріалом для таких операцій служить зображення або відео сигнал.
Існує велика кількість різних способів розпізнавання образів [12]:
- методи, засновані на принципі поділи;
- статистичні методи;
- методи, побудовані на основі потенциальних функций;
- методи обчислення оцінок (голосування);
- методи, засновані на вирахуванні висловлень, зокрема на апарату алгебри логіки.
Вибір конкретного способу залежить від багатьох факторів і визначається специфікою завдання. У кожного з них є свої переваги й недоліки. Вибір конкретного ґрунтується на теоретичних і модельних дослідженнях.
Методика контролю системи завантаження повинна забезпечувати наступні можливості:
- перевірка наявності лотка на зображенні;
- фиксирование его положения;
- определения формы лотка для диагностики целостности;
- проверка наличия отверстий в поверхности лотка.
При цьому виникають певні складності. Однієї з таких проблем присутня необхідність виявлення початку самого процесу завантаження, коли лоток починає рух. Через короткі проміжок часу починається зсипання шихтових матеріалів, під час якого спостереження необхідно припинити через велику запиленности. Коли рівень видимості, після закінчення завантаження, буде достатнім, роботу системи необхідно відновити.
Наступним моментом, що вимагають аналізу, є те, що лоток у деяких положеннях може перебуває поза полем зору камери. Це необхідно враховувати при розробці програмного забезпечення. Для цього система повинна завжди мати інформацію про поточне положення лотка, на основі якої розраховувати його майбутнє положення, щоб була можливість визначення, лоток не бачимо для камери або відсутній у наслідок обриву.
Також система повинна бути розроблена з урахуванням імовірності засвічення камери потоками гарячих газів, температура яких значно вище, чим температура зависипу й інших об'єктів. Така можливість існує і її необхідно фіксувати й обробляти відповідним чином.
На малюнку 3 наведена схематична анімація роботи системи розпізнавання образів при русі лотка механізму завантаження доменної печі.
Рисунок 3 — Приклад роботи системи розпізнавання образів
(GIF-Анімація, 6 кадрів, 5 циклів повторення, 76 Кбайт)
Висновки
При написанні цього автореферату робота перебуває на етапі розробки. На теперішній момент проведений аналіз проблеми, сформульовані завдання й вимоги, а також визначені шляху досягнення поставлених цілей.
Термін завершення роботи - грудень 2009 року.
Список використаної літератури
- Информационные системы в металлургии: Конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов) / Н.А.Спирин, В.В.Лавров. Екатеринбург: Уральский государственный технический университет – УПИ, 2004. – 495 с.
- Познание процессов доменной плавки, под ред. И. В. Большакова и И. Г. Товаровского, Днепропетровск: ПОРОГИ, 2006, – 439 с.
- Sabih D Khan Process and Control of BF Process (Computer Integrated Extraction) [Электронный ресурс] / Khwarzimic Science Society, - http://www.khwarzimic.org/takveen/blast_furnace.pdf
- Mobley R. K. An introduction to predictive maintenance. Butterworth-Heinemann: Elsevier Science, 2002, - 459 p.
- Стевич З., Райчич-Вуясинович М., Антич Д.В., Дамнянович З. Современная инфракрасная термография в контроле и диагностике оборудования [Электронный ресурс] / Національна бібліотека України імені В. І. Вернадського, – http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/tkea/texts/2006_3/p56-58.pdf
- Википедия. Термография [Электронный ресурс] / http://ru.wikipedia.org/wiki/Термография
- IRIS Associates. How Does Infrared Thermography Work? [Электронный ресурс] / Сайт IRIS Associates, - http://www.irisinfrared.com/How Does It Work.htm
- Wikipedia. Thermographic camera [Электронный ресурс] / http://en.wikipedia.org/wiki/Thermographic_camera
- Википедия. Неразрущающий контроль [Электронный ресурс] / http://ru.wikipedia.org/wiki/Неразрушающий_контроль
- InfraTec. How to Maximize the Return on Investment. Monitoring and Inspection of Mechanical Systems by Using Infrared Thermography, 2008 [Электронный ресурс] / Сайт InfraTec, – http://www.infratec.de/fileadmin/downloads/pdf/predictive_maintenance.pdf
- Википедия. Теория распознавания образов [Электронный ресурс] / http://ru.wikipedia.org/wiki/Теория_распознавания_образов
- Искусственный интеллект: Кн.3. Программные и аппаратные средства: Справочник / Под ред. В.Н. Захарова, В.Ф. Хорошевского. М.: Радио и связь, 1990. – 368 с.