Kontrola pracy baterii koksowniczej w oparciu o automatyczną analizę parametrów eksploatacji

Transkrypt

1 184 karbo '2011 Nr 3 LUDWIK KOSYRCZYK *), BARTOSZ LEŚNIAK Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze Kontrola pracy baterii koksowniczej w oparciu o automatyczną analizę parametrów eksploatacji Coke oven battery operations control based on automatic analysis of operating parameters Artykuł recenzował Andrzej Ziębik Słowa kluczowe: bateria koksownicza, opalanie baterii koksowniczej, kontrola pracy baterii koksowniczej, logika wielostanowa Keywords: coke oven battery, coke oven battery heating, coke oven battery operation control, fuzzy logics Wprowadzenie Formułując założenia do budowy systemu sterowania pracą baterii koksowniczej stwierdzono, że jednym z jego najistotniejszych elementów winien być moduł kontroli jej pracy. To bowiem odpowiednio prowadzona kontrola pracy baterii pozwala na bieżąco weryfikować zadane parametry eksploatacji i sygnalizować potrzebę wprowadzenia ewentualnych korekt nastaw ich wysokości bądź podjęcia określonych działań regulacyjno-naprawczych. Wymogiem modułu kontroli pracy baterii, w świetle przypisanego jej celu, musi być jednak nie tylko wiarygodność i jednoznaczność wyników pomiarów i analiz, ale przede wszystkim możliwość automatycznego wypracowywania wniosków i zaleceń dla modułu sterowania. Analizując obecne systemy kontroli pracy baterii trzeba stwierdzić, że przynajmniej w polskich koksowniach są one niedostateczne. Choć nie budzi większych zastrzeżeń wiarygodność wykonywanych pomiarów i analiz, to nie zawsze i nie dla każdego parametru eksploatacji są one jednoznaczne, a tylko nieliczne wykorzystuje się do bieżącego sterowania pracą baterii. Wynika to głównie z nadal ograniczonych możliwości interpretacji uzyskiwanych i magazynowanych danych eksploatacyjnych. Jeszcze do niedawna przeważająca większość parametrów eksploatacji była zapisywana ręcznie w różnego rodzaju książkach raportowych. Utrudniało to analizę różnych, lecz wzajemnie ze sobą związanych parametrów (np.: ciśnienie na przewale kanałów grzewczych i ciśnienie w zaworach spalinowo-powietrznych). Zastosowanie w ostatnim czasie do celów kontroli pracy baterii techniki komputerowej znacznie wprawdzie poprawiło możliwości interpretacji parametrów jej eksploatacji, lecz nadal duża ich część analizowana jest jedynie pod kątem przekroczenia lub nie ich wartości powyżej zakresu uznawanego za dopuszczalny. Nawet z pomiarów, które są wykonywane i zapisywane w pamięci komputera (serwera) on-line, jak np.: ciśnienie w rurociągach rozdzielczych gazu opałowego, z wyjątkiem sygnalizacji wartości alarmowych, nie wyciąga się na bieżąco żadnych wniosków. Mając powyższe na uwadze, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla opracowując system sterowania pracą baterii, w ramach projektu nr POIG /08 Inteligentna koksownia spełniająca wymagania najlepszej dostępnej techniki, szczególną uwagę poświęcił wypracowaniu współczesnych procedur i algorytmów automatycznej analizy kontrolowanych parametrów jej eksploatacji. Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie opracowanej koncepcji systemu kontroli pracy baterii koksowniczej oraz jej zalet w stosunku do istniejących systemów kontroli. Współczesne sposoby rejestrowania i interpretacji parametrów eksploatacyjnych baterii koksowniczej Choć nadal w niektórych koksowniach wszystkie parametry eksploatacji baterii lub większość z nich odnotowuje się ręcznie w specjalnych książkach raportowych, to jednak w większości wypadków wykorzystuje się już do tego celu różnego rodzaju cyfrowe techniki zbierania, gromadzenia i przesyłania danych. Informacje o technologicznych parametrach pobrane z elektronicznych czujników pomiarowych i sterowników przemysłowych rejestrowane są automatycznie w formie skwantyfikowanej w różnego rodzaju komputerowych bazach danych. Tak zgromadzone dane można, *) Autor do korespondencji: Dr inż. Ludwik Kosyrczyk Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, ul. Zamkowa 1, Zabrze, tel office@ichpw.zabrze.pl

2 Nr 3 karbo ' przy użyciu odpowiednich programów komputerowych, w szybki i czytelny sposób zestawiać tabelarycznie lub graficznie nie tylko dla danego momentu pomiaru, ale również dla danego zakresu czasu lub zakresu ich ilości. Tym samym, oprócz standardowych funkcji kontroli takich jak wskazywanie wartości średniej, minimalnej i maksymalnej dla kilku identycznych parametrów (np.: temperatur w kanałach kontrolnych), istnieje możliwość bieżącej kontroli zachodzących zmian ich wielkości na przestrzeni czasu. Równocześnie różne, lecz wzajemnie ze sobą związane parametry można, w zależności od potrzeb, zestawiać w jednej tabeli bądź na jednym wykresie. Główną zaletą takiego sposobu prezentacji danych jest możliwość usprawnienia, a nawet zautomatyzowania ich interpretacji oraz wprzęgnięcia jej wyników, mając do dyspozycji odpowiednie algorytmy, do bieżącego sterowania pracą baterii. Początkowo zastosowanie cyfrowej techniki dla kontroli pracy baterii dotyczyło pomiarów temperatury w kanałach grzewczych, względnie w rurach wznośnych i stężenia tlenu w spalinach przepływających przez wspólny dla całości baterii kolektor spalin [1]. Dane te, po odpowiedniej obróbce, zostały po raz pierwszy wykorzystane w latach osiemdziesiątych ubiegłego stulecia przez firmę Nippon Kokan do automatycznego sterowania przepływem gazu opałowego i podciśnienia w kolektorach spalin w japońskich koksowniach (Fukujama Ogischima i innych), a następnie w Meksyku (Sicartca) i w USA (Fairfield, US-Steel Corporation). Podobne cele i zakres monitorowanych danych stawiały sobie późniejsze systemy cyfrowego zbierania i obróbki danych, takie jak Coke Oven Heating Control System opracowany przez firmę Kaiser Enginees Inc., czy ASUTP KOKS opracowany przez firmę PTP Technika M. Zakres monitorowanych danych i ich wykorzystania dla celów kontroli i sterowania pracą baterii koksowniczej stale jednak wzrastał. Już w 1991 roku P.Leuchtmann i R.Worberg zaprezentowali na konferencji koksowniczej w Essen koncepcję całościowej automatycznej kontroli stanu technicznego i technologicznego baterii koksowniczej [2], a w 2000 roku został wdrożony w Koksowni Huttenwerke Krupp Mannes- -mann system kierowania pracą baterii, obejmujący zarówno ogrzewanie poszczególnych pieców, jak i bieżącą ocenę ich stanu technicznego [3]. W Polsce pierwszy system cyfrowej kontroli opalania baterii, oparty na rozwiązaniach fińskiej firmy Rautaruukki Engineering, został wdrożony w 1999 r. na nowo uruchomionej baterii WK-1 w ówczesnej koksowni im. T. Sendzimira w Krakowie [4]. System ten, stosując specjalne oprogramowanie PROGRESS, na bieżąco analizuje dane o załadunku komór, temperaturze wypychanego koksu oraz wyniki pomiaru temperatur w kanałach kontrolnych i na tej podstawie ustala długość przerwy w opalaniu. Od 2002 roku na nowo uruchamianych w Polsce bateriach montowany jest system wizualizacji i nadzoru komputerowego bazujący na pakiecie oprogramowania SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition). Oprócz zbierania i rejestracji danych procesowych umożliwia on ciągłą wizualizację, alarmowanie i rejestrację zdarzeń, sporządzanie tabelarycznych i graficznych tendencji, analizę danych i udostępnianie informacji o procesie poprzez komputerowe sieci lokalne, internet i sieci komórkowe [5]. Zakres zbieranych, rejestrowanych i wizualizowanych danych przez ten system obejmuje praktycznie wszystkie istotne parametry pracy baterii z elementami ich częściowej analizy. Rejestracja i interpretacja temperaturowych parametrów pracy baterii koksowniczej Istniejące systemy rejestracji i interpretacji temperaturowych parametrów pracy baterii koksowniczej koncentrują się głównie na kontroli wysokości utrzymywanej temperatury u podstawy kanałów grzewczych [6]. W wielu wypadkach uzupełnia się je również wynikami pomiaru temperatury obmurza ścian od strony komory lub warstwy przyściennej wypychanego koksu oraz pomiarami temperatury wydzielanego gazu surowego w rurach odciągowych wybranych komór koksowniczych. Podobny zakres kontroli temperaturowych parametrów pracy baterii realizuje system wizualizacji i nadzoru komputerowego montowany obecnie na polskich bateriach koksowniczych. Z pomiarów temperatury wykonywanych w kanałach kontrolnych automatycznie wyliczana jest średnia oraz odchylenia od tej średniej dla poszczególnych kanałów. Wyniki tego pomiaru są prezentowane zarówno w formie tabelarycznej, jak i na graficznych wykresach. Na sporządzonym w formie słupkowej wykresie (rys. 1) odmiennymi kolorami oznaczane są wyniki o odchyleniach od średniej mieszczących się w tolerancji (kolor zielony) i wychodzące poza nią (kolor niebieski dla temperatur zaniżonych oraz żółty dla temperatur zawyżonych). Ponadto system umożliwia tworzenie identycznych zestawień dla zadanego okresu oraz liniowych tendencji dla temperatury średniej. Właśnie na podstawie wyników tego pomiaru podejmowane są decyzje, w jednych koksowniach automatyczne a w innych manualne, o ewentualnej zmianie ilości dozowanego do całej baterii gazu opałowego. Równocześnie obsługa baterii na podstawie w ten sposób zaprezentowanych wyników ma możliwość wyciągania szybkich wniosków o potrzebie podejmowania ściślejszej kontroli ścian grzewczych ze stwierdzonymi ponadnormatywnymi odchyleniami temperatury lub wręcz podejmowania decyzji o działaniach regulacyjnych na poszczególnych ścianach (np.: czasowe wstrzymanie opalania w przypadku ponadnormatywnego wzrostu temperatury). W podobny sposób prezentowane są wyniki pomiarów temperatury w kanałach grzewczych wzdłuż wszystkich ścian. W tym wypadku, na graficznych liniowych wykresach (rys. 2) wynik pomiaru (kolor niebieski) jest zestawiany razem z automatycznie indywidualnie ustalanym dla każdej ściany wzorcem (kolor czerwony). Istnieje również możliwość zestawień wielu pomiarów rozkładu temperatury w kanałach danej ściany na jednym wykresie. Szczególnie w tym przypadku taki sposób automatycznej prezentacji wyników umożliwia ich prawie natychmiastową interpretację. Z takich bowiem wykresów wynika wprost, w którym kanale i jakie odchylenie temperatury występuje i czy odchylenie to ma tendencję trwałą, a więc, w którym miejscu należy podjąć działania remontowo-regulacyjne.

3 186 karbo '2011 Nr 3 Rys. 1. Przykład graficznej prezentacji wyników pomiaru temperatury w kanałach kontrolnych baterii koksowniczej Fig. 1. Graph presentation of the results of temperature measurements in coke oven battery control flues an example Rys. 2. Przykład graficznej prezentacji wyników pomiaru temperatury w kanałach wzdłuż ścian grzewczych baterii koksowniczej Fig. 2. Graph presentation of the results of temperature measurements in flues along the coke oven battery heating walls an example Uzupełnieniem tych podstawowych prezentacji reżimu temperaturowego baterii koksowniczej są prezentacje: odnotowywanej on-line temperatury gazu surowego w odbieralniku i w wybranych rurach wznośnych oraz jej zmian wraz z automatycznymi wyliczeniami tzw. indeksu koksowania (rys. 3), odnotowywanej on-line temperatury oraz jej zmian w kolektorach spalin (rys. 3). odnotowywanych przy każdym wypchnięciu koksu rozkładów temperatury wzdłuż jego warstwy przyściennej (rys. 4). Wyniki tych dodatkowych prezentacji wyników pomiaru temperatury w polskich koksowniach wykorzystuje się w ograniczonym zakresie do sterowania pracą baterii. O ile bowiem na podstawie wyników pomiaru temperatury gazu surowego w odbieralniku obsługa baterii manualnie steruje przepływem wody chłodzącej, to już w przypadku wyników pomiaru temperatury w rurach wznośnych i na warstwie przyściennej wypychanego koksu tylko na jednej z polskich koksowni dobierana jest automatycznie wartość obowiązujących średnio temperatur w kanałach kontrolnych, zaś temperatury w kanałach spalin analizowane są jedynie okazjonalnie przez specjalistów od opalania przy okazji generalnej regulacji układu hydrauliczno-temperaturowego baterii.

4 Nr 3 karbo ' Rys. 3. Przykład wizualizacji wyników pomiaru temperatury i ciśnienia gazu surowego, indeksu koksowania oraz temperatury i ciśnienia w kolektorach spalin baterii koksowniczej (Koksownia Przyjaźń, bateria nr 5) Fig. 3. Visualisation of the results of temperature and pressure measurements of raw gas, coking index, temperature and pressure in waste gas collectors an example (Koksownia Przyjaźń Coke oven battery No. 5) Rys. 4. Przykład wizualizacji wyników pomiaru temperatury warstwy przyściennej wypychanego koksu Fig. 4. Visualisation of the results of temperature measurements in the near-the-wall layer of the pushed out coke an example

5 188 karbo '2011 Nr 3 System kontroli układu hydraulicznego baterii koksowniczej Podstawowym, a w rzeczywistości jedynym zadaniem systemu kontroli układu hydraulicznego baterii koksowniczej jest w większości przypadków jedynie utrzymanie zadanych ciśnień w poszczególnych punktach pomiarowych. Nawet specjalnie opracowane moduły w systemie kontroli parametrów pracy baterii dla monitorowania układu hydraulicznego baterii, jak np.: moduł HYDRA w systemie ASUTP KOKS [7], ograniczają się jedynie do utrzymania ciśnień w odbieralniku i kolektorach spalin. Nie inaczej jest rozwiązana kontrola układu hydraulicznego w polskich bateriach koksowniczych. Choć wykonywane, rejestrowane i wizualizowane są na bieżąco ciśnienia gazu surowego w odbieralniku (rys. 3), gazu opałowego w bateryjnych rurociągach głównym i rozdzielczych (rys. 5) oraz ciśnienia w kolektorach spalin (rys. 3), to jednak wyniki tych pomiarów służą jedynie jako parametr sterujący automatycznym regulatorom, bądź informowania obsługi baterii koksowniczej o przekroczeniu wartości alarmowych (spadek ciśnienia gazu opałowego poniżej wartości dopuszczalnej). Wykorzystanie rejestrowanych wyników analiz spalin oraz pozostałych parametrów eksploatacji baterii do kontroli jej pracy W polskich bateriach koksowniczych są w systemie kontroli rejestrowane i prezentowane w różnej konfiguracji również inne parametry ich eksploatacji, między innymi takie jak: wyniki analizy spalin (stężenie tlenu, tlenku węgla, ditlenku węgla oraz ditlenku azotu), wartość opałowa i gęstość gazu oraz wyliczane chwilowe i sumaryczne (w danym zakresie czasu) zużycie energii chemicznej, planowany i realizowany harmonogram obsługi komór, uśredniona wilgotność wsadu węglowego, prąd pobierany przez silnik drąga wypychowego. W bieżącej analizie pracy baterii wykorzystuje się jednak tylko chwilowe i sumaryczne zużycie energii chemicznej w powiązaniu z realizowanym czasem koksowania, wilgotnością wsadu węglowego oraz jej parametrami temperaturowymi i hydraulicznymi. Pozostałe z rejestrowanych parametrów pracy baterii, podobnie jak wyniki pomiaru temperatury Rys. 5. Przykład wizualizacji wyników pomiaru ciśnienia i przepływu gazu opałowego oraz pracy przestawnicy opalania (Koksownia Przyjaźń, bateria nr 5) Fig. 5. Visualisation of the results of the gas pressure and flow measurements and the operation of the heating shifter device an example (Koksownia Przyjaźń Coke oven battery No. 5)

6 Nr 3 karbo ' w kolektorach spalin, są analizowane okazjonalnie przez specjalistów od opalania przy okazji generalnej regulacji układu hydrauliczno-temperaturowego baterii. Koncepcja nowoczesnego systemu rejestrowania i interpretacji parametrów eksploatacyjnych baterii koksowniczej Montowane obecnie na bateriach cyfrowe systemy rejestracji i prezentacji parametrów pracy baterii, jak pokazują to chociażby przedstawione powyżej przykłady, dają ogromne możliwości ich interpretacji, a także walidacji w przypadku występowania redundancji pomiarowej. Nie znaczy to jednak, że możliwości te są rzeczywiście w pełni wykorzystywane. Nadal bowiem wiele parametrów kontroli pozostaje poza głównym systemem rejestracji, a część rejestrowanych parametrów nadal wymaga eksperckich analiz. Nie gromadzi się w systemie, przynajmniej na polskich bateriach koksowniczych, takich chociażby parametrów ich pracy jak: wartość ciśnienia na przewale kanałów grzewczych, wartość ciśnienia w zaworach spalinowo-powietrznych, zarówno wznośnym, jak i opadającym, wyniki analizy spalin w indywidualnych kanałach grzewczych i w poszczególnych zaworach spalinowo- -powietrznych, wyniki pomiaru temperatury w zaworach spalinowo- -powietrznych. Dane te, zapisywane dalej jedynie w różnych książkach raportowych, poddawane są analizie sporadycznie, najczęściej bez wzajemnych zestawień i odnoszenia do innych parametrów pracy baterii. Warto tu zauważyć, że są to głównie parametry opisujące szczegółowo pracę poszczególnych pieców baterii. O ile więc średni (dla całości baterii) poziom eksploatacji jest obecnie już w wielu wypadkach bardzo dobrze monitorowany, to ten szczegółowy z wyjątkiem układu temperatur w kanałach grzewczych faktycznie pozostaje poza kontrolą i sterowaniem. Dane te, jeśli nawet nie mogą być obecnie zbierane i rejestrowane w systemie komputerowym w podobny sposób jak to ma miejsce w przypadku pomiaru temperatur w kanałach grzewczych (podręczna pamięć współpracująca z systemem), powinny być w systemie rejestrowane przynajmniej w sposób manualny. Istotniejszą jednak sprawą jest unowocześnienie sposobu prezentacji zarejestrowanych danych i to zarówno tych już w pełni wykorzystywanych przez system sterowania, jak i tych które dziś system pomija. Dla obsługi i bieżącej kontroli pracy baterii, ale również dla systemu jej sterowania, istotniejszą bowiem sprawą jest nie tyle dobrze zaprezentowana wartość zarejestrowanych parametrów i ewentualnie ich zmian w czasie, co przede wszystkim odniesienie ich poziomu do obowiązujących w danym czasie wartości referencyjnych. Tylko takie podejście do systemu kontroli umożliwia zautomatyzowanie analizy danych i tym samym usprawnienie procesu decyzyjnego (sterowania automatycznego lub manualnego). Przy budowaniu algorytmów nowoczesnego systemu rejestrowania i interpretacji parametrów eksploatacyjnych baterii koksowniczej przyjęto więc założenie, że niezależnie od istniejącego systemu kontroli (dla eksperckich analiz jest on nadal niezbędny) wszystkie dane, po każdym ich zarejestrowaniu, będą porównywane ze swoimi modelowymi lub znormalizowanymi odpowiednikami zawartymi w uprzednio wyskalowanym MODULE SYMULACYJNYM. Niewystarczającym dla kontroli parametrów pracy baterii wydaje się jednak być ograniczenie tych porównań do tradycyjnej logiki dwuwartościowej, z wartościami równymi prawdzie i fałszowi. Dlatego postanowiono, korzystając z doświadczeń logiki rozmytej [8], przypisać każdemu zakresowi odchyleń od normatywu dla każdego z analizowanych parametrów określony stan poprawności. Choć teoretycznie można przy takim podejściu wyróżnić kilkanaście stanów poprawności, to zdaniem autorów niniejszego artykułu, dostatecznym dla celów analizy będzie rozróżnienie stanu dopuszczalnych odchyleń, stanu niewielkiego przekroczenia odchylenia i stanu dużego odchylenia. W większości jednak przypadków konieczne będzie również rozróżnianie znaku tych odchyleń, tzn. czy rzeczywista wartość badanego parametru jest większa, czy mniejsza od wartości referencyjnej. Przy ocenie odchyleń można, w zależności od potrzeb, operować zarówno ich wartościami bezwzględnymi, jak i względnymi: Xrzecz i Xref i % Xi = 100% Xref i Xrzecz % = i Xref X i i 100% Xref i (1) (2) ΔX i = Xrzecz i Xref i (3) gdzie: ΔX i, Δ%X i odchylenie bezwzględne i względne kontrolowanego parametru i, Xrzecz i wartość rzeczywista kontrolowanego parametru i, Xref i wartość referencyjna kontrolowanego parametru i. Równocześnie dla usprawnienia interpretacji badanych odchyleń można każdemu stanowi poprawności przypisać ściśle określony kolor, który będzie się pojawiał na ekranie komputera w czasie prezentacji zarejestrowanych wyników. Jeżeli wartość odchylenia (względnego/bezwzględnego) osiągnie wartość dopuszczalną ΔXdop i to wówczas dany parametr osiąga stan dużego odchylenia i oznaczony zostaje np.: kolorem czerwonym w przypadku przekroczeń w górę i kolorem niebieskim w przypadku przekroczeń w dół (jeśli takie rozróżnianie dla danego parametru jest wymagane). Jeżeli obliczona wartość różnicy względnej/bezwzględnej jest mniejsza od wartości dopuszczalnej w zakresie określonym przez współczynnik A (ustalony w MODULE SKALOWA- NIA), oceniany parametr znajduje się w stanie dopuszczalnych odchyleń i oznaczany jest kolorem zielonym. W przypadku zaś zbliżania się odchylenia do wartości dopuszczalnej (A ΔXdop i < ΔX i ΔXdop i ), parametr oznaczony zostaje kolorem pomarańczowym (odchylenie w górę) lub fioletowym

7 190 karbo '2011 Nr 3 (odchylenie w dół). Powyższa zasada oznaczeń poszczególnych stanów poprawności kontrolowanych parametrów pokazana została na rysunku 6. Poza pięcioma wymienionymi barwami stosowanymi do wizualizacji odchyleń w górę i w dół od wartości referencyjnej przewidziany został jeszcze jeden kolor czarny, oznaczający brak pomiaru lub pomiar nieaktualny (nie została wprowadzona nowa wartość okresowego parametru oceny w określonym przedziale czasu). Jeżeli na przykład przyjmie się, że referencyjna wartość ciśnienia na przewale kanałów grzewczych wynosi 5 Pa, a dopuszczalne jego odchylenie 4 Pa, zaś współczynnik A równy jest 0,5, to: wszystkie wyniki pomiaru ciśnienia na przewale kanałów na poziomie 3 7 Pa będą oznaczone kolorem zielonym, wszystkie wyniki poniżej 3 Pa i większe lub równe 1 Pa będą oznaczone kolorem fioletowym, wszystkie wyniki poniżej 1 Pa będą oznaczone kolorem niebieskim itd. Ponadto wystąpienie każdego ze stanów poprawności może być zakodowane dodatkowo w postaci niepowtarzalnego ciągu cyfr. Kod taki składałby się z 26 cyfr, z których 12 pierwszych prezentowałoby moment zarejestrowania analizowanego parametru eksploatacji, cztery następne ustalony numer tego parametru i określony numer jego stanu, zaś pozostałe miejsce jego rejestracji (strona baterii, nr ściany grzewczej, nr komory koksowniczej, nr zaworu spalinowo- -powietrznego, nr kanału grzewczego, nr rewersji). Cyfry symbolizujące odpowiednie odchylenie danego parametru kontroli mogłyby być następujące: pomiar nieaktualny lub brak pomiaru (kolor czarny) 00, odchylenie w normie (kolor zielony) 01, odchylenie w dół bliskie dopuszczalnemu (kolor fioletowy) 02, przekroczona wartość dopuszczalna dolna (kolor niebieski) 03, odchylenie w górę bliskie dopuszczalnemu (kolor pomarańczowy) 04, przekroczona wartość dopuszczalna górna (kolor czerwony) 05. Tak więc, dla przykładowego przekroczenia w górę ciśnienia opadającym w zaworze spalinowo-powietrznym nr 44 strony 2 baterii w dniu o godzinie 12:28 kod odchylenia zostałby w pamięci komputera zapisany w następującej formie: gdzie: data rejestracji ciśnienia w zaworze spalinowo-powietrznym, czas rejestracji ciśnienia w zaworze spalinowo- -powietrznym, 16. przykładowy nr parametru oceny (ciśnienie w zaworze spalinowo-powietrznym opadającym), 02. przekroczona wartość dopuszczalna góra, 2. nr strony (np.: strona koksowa), 00. nr ściany (nie dotyczy), 00. nr komory (nie dotyczy), 44. nr zaworu, 00. nr kanału (nie dotyczy), 0. nr rewersji (nie dotyczy). Kodowanie pozwoli systemowi kontroli wyciągać prawie natychmiastowe wnioski co do czasu, miejsca i zakresu występowania odchyleń, a tym samym da możliwość, bez żmudnych analiz tendencji, automatyzacji analizy rejestrowanych parametrów eksploatacji baterii. Koncepcja systemu automatycznej analizy rejestrowanych parametrów eksploatacji baterii Analiza ekspercka, a do takich należy analiza parametrów eksploatacji baterii koksowniczej, bazuje na zestawie reguł [2]. To właśnie reguły służą do wywodu tez, na podstawie istniejących faktów, do sterowania procesem. Przykładem reguły wykorzystywanej w eksperckiej analizie parametrów eksploatacji baterii może być np. stosowane na co dzień przez obsługę baterii następujące stwierdzenie: jeżeli średnia temperatura w kanałach kontrolnych jest niższa od wymaganej dla danego poziomu produkcji to należy zwiększyć strumień dozowanego gazu opałowego. Reguła ta, choć jednoznaczna, nie zawsze jednak w rzeczywistych warunkach pracy baterii jest dostateczna do Wizualizacja kolorami parametru X dla przekroczeń w górę ΔX A ΔXop A ΔXdop < ΔX ΔXdop ΔX> ΔXdop Wizualizacja kolorami parametru X dla przekroczeń w dół ΔX A ΔXop A ΔXdop < ΔX ΔXdop ΔX> ΔXdop Rys. 6. Zasada oznaczeń poszczególnych stanów poprawności kontrolowanych parametrów Fig. 6. The principle of states marking of the controlled parameters

8 Nr 3 karbo ' podjęcia decyzji regulacyjnych. Sytuacja bowiem się komplikuje jeśli różne parametry wskazują różne lub nie tak jednoznaczne rozwiązania dla tego samego działania. Może się bowiem okazać, że mimo niedostatecznych temperatur w kanałach kontrolnych wypychany koks wykazuje, poprzez np.: wyznaczony indeks koksowania, dostateczną gotowość. Właśnie w takich wypadkach idealnym narzędziem analizy zarejestrowanych danych staje się logika rozmyta. Zgodnie z jej teorią, analiza wzajemnie związanych parametrów może się odbywać z zastosowaniem bazy reguł. Znaczy to, że każdemu zbiorowi, np.: odchyleń, można teoretycznie, na podstawie wiedzy eksperckiej, przypisać ściśle określone działanie. Przykładem takiej reguły może być następujące stwierdzenie: jeżeli średnia temperatura w kanałach kontrolnych jest niższa od wymaganej dla danego poziomu produkcji i nie przekracza wartości dopuszczalnej (kolor fioletowy) oraz indeks koksowania wykazuje odchylenie dopuszczalne (kolor zielony) to nie należy zmieniać strumienia dozowanego gazu opałowego. Przyjmując powyższą koncepcję automatycznej analizy parametrów eksploatacji baterii, wytypowano i zestawiono kilka grup współzależnych parametrów, a następnie przypisano im wyjściowe parametry analizy. Najistotniejsze z zestawień prezentuje tablica 1. Zestawienia takie w zależności od potrzeb i aktualnej wiedzy eksperckiej mogą być rozbudowywane. Poszczególnym wyjściowym parametrom można następnie przypisać, podobnie jak parametrom wejściowym, określone stany poprawności czy to za pomocą koloru, czy ciągu cyfr. Trzeba jednak zaznaczyć, że nie dla każdego zestawu odchyleń możliwe jest wypracowanie jednoznacznej reguły. W takich wypadkach wynikiem analizy może być kod oznaczający brak jednoznaczności (np.: tak jak w przypadku braku pomiaru lub jego nieaktualności kolor czarny lub cyfry 00). Kody niejednoznaczności wymagałyby wówczas indywidualnej eksperckiej analizy prowadzonej na dotychczasowych zasadach lub ponownego skalowania systemu kontroli. Dla każdego z zestawu parametrów kontroli opracowano następnie bazę reguł. Dla przykładu, w tablicy 2 pokazano, w formie graficznej, propozycję kilku z kilkudziesięciu reguł analizy układu hydraulicznego systemu dozowania powietrza i odciągu spalin. Ze względu na dużą liczbę koniecznych do przeanalizowania reguł, wykonanie pełnej analizy rejestrowanych parametrów manualnie dla np. kilkudziesięciu zaworów spalinowo-powietrznych jest praktycznie niemożliwe. Stąd dotychczas najczęściej wykonuje się je jedynie w szczególnych przypadkach dla jednego, najwyżej kilku ciągów grzewczych, zaś w pozostałych operuje się wartością średnią. Wdrożenie systemu automatycznej analizy danych rozwiązuje ten problem i pozwala na indywidualne potraktowanie wszystkich ciągów grzewczych i pełne zoptymalizowanie ich pracy. Wyniki analizy mogą bowiem być teoretycznie wykorzystane wprost przez system sterowania przy doborze aktualnych parametrów eksploatacji. W oparciu o analizę układu hydraulicznego systemu dozowania powietrza i odciągu spalin oraz wykonane symulacje jego pracy (ustalenie wartości referencyjnych) można równocześnie w następnym etapie przeprowadzić automatyczną analizę przyczyn zmiany obowiązujących parametrów eksploatacji. Przykłady takiej analizy przedstawiono w tablicy 3. Zestawienie najistotniejszych współzależnych parametrów kontroli pracy baterii z parametrami będącymi wynikiem ich analizy T a b l i c a 1 T a b l e 1 Specification of the most important correlative parameters of coke oven battery control with parameters resulting from their analysis Nr analizy 1 Średnie ciśnienie gazu opałowego 2 Indeks koksowania 3 Szczelność ceramiki Ciśnienie na przewale kanałów grzewczych Układ temperatur wzdłuż ścian grzewczych Układ hydrauliczny systemu dozowania powietrza i odciągu spalin Parametry analizy Chwilowe ciśnienie gazu opałowego Zawartość części lotnych w koksie Jednostkowe zużycie ciepła Ciśnienie w zaworach wznośnym Układ temperatur wzdłuż warstwy przyściennej wypychanego koksu Temperatura w kanałach kontrolnych Średni czas koksowania Średnia temperatura w kanałach kontrolnych - Strumień dostarczanego ciepła do ogrzewania baterii Parametr wyjściowy Działanie przestawnicy gazu oraz rozmiar elementów regulacyjnych Normatyw zużycia ciepła i utrzymywanych temperatur w kanałach kontrolnych Emisja CO - Stan techniczny baterii Ciśnienie w zaworach opadającym Współczynnik nadmiaru powietrza Jakość spalania - Temperatura spalin w zaworach - Układ hydrauliczny systemu dozowania powietrza i odciągu spalin Układ indywidualnych elementów regulacyjnych Stan techniczny regeneratorów

9 192 karbo '2011 Nr 3 T a b l i c a 2 Zestaw przykładowych reguł analizy układu hydraulicznego systemu dozowania powietrza i odciągu spalin A set of exemplary rules for the analysis of the hydraulic system of air injection and gas draught T a b l e 2 Nr przykładowej reguły ciśnienia na przewale kanałów grzewczych ściany n-1 Δp n-1 PARAMETRY WEJŚCIOWE ciśnienia na przewale kanałów grzewczych ściany n Δp n ciśnienia na przewale kanałów grzewczych ściany n+1 Δp n+1 współczynnika nadmiaru powietrza w zaworze ścian n-1 i n Δλ n-1,n PARAMETRY WYJŚCIOWE aktualnej wartości podciśnienia opadającym zaworu ścian n-1 i n Δp z(n-1,n) aktualnej wartości podciśnienia wznośnym zaworu ścian n i n+1 Δp z(n,n+1) 1 MAŁE UJEMNE DOPUSZCZALNE DOPUSZCZALNE DUŻE DODATNE DUŻE DODATNE DUŻE UJEMNE 2 DUŻE DODATNE DUŻE UJEMNE DOPUSZCZALNE DOPUSZCZALNE MAŁE DODATNE MAŁE DODATNE 3 MAŁE DODATNE DUŻE DODATNE MAŁE UJEMNE DUŻE UJEMNE DUŻE UJEMNE DOPUSZCZALNE 4 DUŻE UJEMNE DOPUSZCZALNE DUŻE UJEMNE DOPUSZCZALNE DOPUSZCZALNE DOPUSZCZALNE 5 DUŻE DODATNE MAŁE DODATNE DUŻE UJEMNE MAŁE UJEMNE MAŁE UJEMNE DOPUSZCZALNE 6 MAŁE UJEMNE MAŁE UJEMNE MAŁE DODATNE MAŁE UJEMNE DOPUSZCZALNE MAŁE DODATNE 7 DUŻE UJEMNE DUŻE DODATNE MAŁE DODATNE DUŻE UJEMNE DUŻE UJEMNE DOPUSZCZALNE 8 DOPUSZCZALNE DUŻE DODATNE DUŻE DODATNE MAŁE UJEMNE MAŁE UJEMNE DOPUSZCZALNE 9 MAŁE DODATNE DUŻE DODATNE DUŻE DODATNE DUŻE DODATNE DOPUSZCZALNE DUŻE UJEMNE Zestaw przykładowych reguł analizy przyczyn zmian obowiązującego układu hydraulicznego systemu dozowania powietrza i odciągu spalin T a b l i c a 3 T a b l e 3 A set of exemplary rules for analyzing the causes of changes in the valid hydraulic system of air injection and gas draught PARAMETRY WEJŚCIOWE PARAMETRY WYJŚCIOWE Nr przykładowej reguły ciśnienia w zaworze opadającym wynikające z analizy układu hydraulicznego Δp opada ciśnienia w zaworze wznośnym wynikające z analizy układu hydraulicznego Δp wzna ciśnienia w zaworze opadającym wynikające z symulatora Δp opads ciśnienia w zaworze wznośnym wynikające z symulatora Δp wzns strumienia gazu opałowego dozowanego do ścian obsługiwanych przez zawór ΔV oporu wypełnienia regeneratora obsługiwanego przez zawór ΔR 1 MAŁE UJEMNE MAŁE DODATNE MAŁE DODATNE DOPUSZCZALNE MAŁE DODATNE 2 MAŁE UJEMNE DUŻE DODATNE DUŻE DODATNE DUŻE UJEMNE DUŻE DODATNE 3 DUŻE UJEMNE MAŁE DODATNE MAŁE UJEMNE DUŻE DODATNE BRAK UWAG 4 DUŻE UJEMNE DUŻE UJEMNE DUŻE UJEMNE DUŻE UJEMNE BRAK UWAG 5 DOPUSZCZALNE DOPUSZCZALNE DUŻE UJEMNE DUŻE DODATNE MAŁE UJEMNE 6 MAŁE DODATNE MAŁE UJEMNE DUŻE UJEMNE DUŻE DODATNE DUŻE UJEMNE Propozycje reguł mogą być w systemie automatycznych analiz, w miarę rozbudowy wiedzy eksperckiej, dalej dowolnie rozbudowywane i korygowane. Wykorzystanie zaś ich wyników usprawnia w wydatny sposób proces nie tylko kontroli, ale również proces sterowania pracą baterii i daje możliwość jego pełnej automatyzacji. Podsumowanie Automatyzacja sterowania pracą baterii koksowniczej wymaga w pierwszym rzędzie w miarę ścisłego określenia referencyjnych parametrów jej eksploatacji. Dotychczas w światowym koksownictwie zostało opracowanych wiele

10 Nr 3 karbo ' modeli i zasad doboru tych parametrów. Są one stale udoskonalane i za pomocą technik komputerowych w coraz większym stopniu wykorzystywane przez montowane na bateriach automatyczne systemy sterowania. W ramach realizowanego projektu nr POIG /08 Inteligentna koksownia spełniająca wymagania najlepszej dostępnej techniki Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla buduje w tym celu komputerowy symulator procesu obrazujący pracę wszystkich istotnych elementów układu technologicznego baterii koksowniczej. Jak wykazują jednak przemysłowe doświadczenia, ścisłe dotrzymanie eksploatacyjnych parametrów referencyjnych jest nie zawsze możliwe. Jest to wynikiem zarówno stosowanych z konieczności uproszczeń przy budowie modelu procesu, jak i zmiennego stanu technicznego obiektu i obiektów z nim współpracujących. Nieodzownym elementem sterowania w takim wypadku staje się kontrola i analiza bieżących parametrów eksploatacji, która pozwala na weryfikację działań sterujących i ewentualną ich korektę. Kontrola i analiza bieżących parametrów eksploatacji aby mogła być wykorzystana do automatyzacji sterowania musi być jednak również automatyczna. Potrzebę tę dostrzegli już twórcy współczesnych systemów sterowania. Wiele z parametrów eksploatacji na nowo uruchamianych bateriach koksowniczych, również w Polsce, jest w sposób automatyczny rejestrowanych i w czytelnej formie prezentowanych czy to w postaci tabel, czy graficznych wykresów i prezentacji. Tym niemniej, poza automatyczną kontrolą nadal pozostają niektóre istotne parametry eksploatacji. Równocześnie ich analiza, zarówno tych rejestrowanych w sposób automatyczny, jak i w książkach raportowych, ogranicza się przeważnie do wykazywania jedynie stanów alarmowych. Natomiast parametry analizowane na bieżąco (np.: układ temperatur w kanałach kontrolnych) nie są najczęściej weryfikowane przez parametry współzależne (np.: indeks koksowania lub temperatura warstwy przyściennej wypychanego koksu). Widząc potrzebę i możliwości usprawnienia systemu analizy rejestrowanych danych opracowano, w oparciu o doświadczenia logiki rozmytej, system oceny odchyleń bieżących parametrów eksploatacji od wartości referencyjnych. Pozwalałoby to każdemu z analizowanych parametrów przypisać konkretny stan poprawności, zależny od wielkości odnotowanego odchylenia. Poprzez automatyczne (komputerowe) porównanie stanów poprawności parametrów współzależnych możliwe stałoby się tym samym, w oparciu o eksperckie reguły oceny, obiektywne wypracowywanie tez co do potrzeby podejmowania konkretnych działań regulacyjnych. Reguły te w zależności od potrzeb i aktualnej wiedzy ekspertów mogłyby być następnie stale udoskonalane i poszerzane. Na obecnym etapie opracowana została koncepcja systemu kontroli. Prowadzone dalsze prace mają na celu wykonanie wersji testowej opracowanego systemu kontroli, dzięki której możliwe będzie przeprowadzenie prób pozwalających na zweryfikowanie i udoskonalenie jego działania. Literatura 1. Farrenkopf M., Koks Die Geschichte eines Wertstoffes. Die Deutsche Bergbau-Museum, Bochum Leuchtmann P., Worberg R., Unterstützung der Betriebsführung von Kokereien durch Automatisierungstechniken und Expertensysteme. Konferencja Kokereitechnik, Essen, Nelles L., Pesy W., An integrated process management system based on Internet technology at the Hüttenwerke Krupp Mannesmann coking plant. 3rd International Conference on Science and Technology of Ironmaking, s , Düsseldorf, Lis J., Figiel Z., Lembas J., Gaździk A., Uruchomienie baterii wielkokomorowej WK-1 z suchym chłodzeniem koksu w Zakładzie Koksochemicznym Huty im. T. Sendzimira S.A. Karbo, 1999, t. 44, nr 6, s Boroń R., Systemy automatyki firmy Askom. Konferencja naukowo-techniczna Koksownictwo 2003, Lądek Zdrój. 6. Chen C.W., Shen J.F., Hong M.T., Chung K.A., Yen H.J., Application of the thermal state diagnosis system for coke oven battery. 3 th International Cokemaking Congress, s , Gent, Rudyka V.I., Zingerman Û.E., Lavrov K.G., Gorenbuch M.A., Gabov A.I., Eršov I.A.: Sovremennye rešenija po avtomatizacii koksovych batarej w proektach Giprokoksa. Koks i Chimija, 2004, nr 7, s Yager R.R., Podstawy modelowania i sterowania rozmytego. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Praca wykonana w ramach projektu kluczowego nr POIG /08 Inteligentna koksownia spełniająca wymagania najlepszej dostępnej techniki dofinansowanego z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego