ES2335321T3 - Procedimiento para la explotacion de un horno metalurgico de fusion y horno. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la explotación de un horno (2) metalúrgico de fusión, de manera especial para la explotación de un horno de arco eléctrico, en cuya explotación se respeta una pluralidad de parámetros de la explotación dentro de límites establecidos de antemano, empleándose con esta finalidad un dispositivo (1) de control o de regulación, caracterizado porque el dispositivo (1) de regulación o de control presenta una unidad convencional (9) de control o de regulación y una unidad Fuzzy (10) de regulación, que dirige sus respectivas magnitudes de ajuste (StK, StF) hacia, al menos, un mediador (11), calculando el mediador (11) la señal de ajuste, que es empleada, de conformidad con un coeficiente de ponderación (F) establecido de antemano a partir de las magnitudes de regulación, que proceden de la unidad convencional (9) de control o de regulación y de la unidad Fuzzy (10) de regulación (10).
Description
Procedimiento para la explotación de un horno
metalúrgico de fusión y horno.
La invención se refiere a un procedimiento para
la explotación de un horno metalúrgico de fusión, especialmente
para la explotación de un horno de arco eléctrico, en cuya
explotación se respeta una pluralidad de parámetros de la
explotación dentro de límites establecidos de antemano, en caso dado
variables en función del tiempo, utilizándose con esta finalidad un
dispositivo de control o de regulación. Por otra parte, la invención
se refiere a un horno metalúrgico de fusión, especialmente se
refiere a un horno de arco eléctrico.
En un horno metalúrgico de fusión del tipo que
ha sido citado se funde chatarra metálica por medio de energía
eléctrica. Este proceso es parte integrante de la obtención del
acero. En este caso está presente, en la mayoría de los casos, una
pluralidad de arcos eléctricos, que se establecen entre los vértices
de los electrodos y el producto en fusión, cuyos arcos eléctricos
proporcionan el calor necesario para el proceso de fusión en forma
de energía térmica.
Para una obtención de acero, de manera eficiente
y con ahorro de energía, tienen que ajustarse de forma óptima los
flujos de materia y de energía. Con esta finalidad se conocen
instalaciones de control y de regulación, que controlan o bien que
regulan los hornos que han sido citados al principio. Ejemplos a
este respecto han sido descritos en la publicación US 5 205 979, en
la publicación WO 02/28146 A1, en la publicación DE 197 11 453 A1,
en la publicación EP 0 036 122 B1, en la publicación DE 44 15 727
A1, en la publicación WO 02/063927 y en la publicación WO
99/23264.
Para llevar a cabo la realización de una
explotación del horno eficiente con respecto a las necesidades
energéticas y con respecto a la productividad pueden establecerse
de antemano las siguientes magnitudes de ajuste en el desarrollo de
la fusión, en función del proceso:
- \bullet
- intensidad de la corriente eléctrica de cada uno de los arcos eléctricos y la tensión de la línea exterior o bien la tensión continua,
- \bullet
- la reactancia de la bobina de choque,
- \bullet
- el flujo volumétrico de gas natural y de oxígeno de cada uno de los quemadores,
- \bullet
- el flujo volumétrico del oxígeno aportado para la post-combustión,
- \bullet
- el flujo volumétrico del oxígeno y el flujo másico del carbón menudo de cada uno de los inyectores para la generación de la escoria esponjosa,
- \bullet
- la velocidad de transporte del hierro reducido directamente,
- \bullet
- la velocidad de transporte de la chatarra, que es aportada en continuo y
- \bullet
- la velocidad de transporte del hierro en bruto líquido.
\vskip1.000000\baselineskip
La especificación de los valores se lleva a cabo
hoy en día en la mayoría de los casos en forma de controles en
función del tiempo desde el inicio de la fusión o en función de la
energía aportada. Puesto que el proceso sólo lleva a cabo este
cálculo de una manera condicionada, son de rutina diaria las
intervenciones manuales o bien, en general, las especificaciones
manuales.
Por otra parte, existen enfoques para regular
algunas de las magnitudes de ajuste citadas en función del estado
del proceso. En este caso, se lleva a cabo la descripción del estado
del proceso, entre otras cosas, por medio de las temperaturas más
diversas del agua de refrigeración, de la emisión de ruido del
horno, de la composición de los gases de escape y de diversos
valores característicos eléctricos tal como, por ejemplo, el
coeficiente de distorsión de la corriente eléctrica. Los
reguladores correspondientes están montados en forma de reguladores
clásicos, como reguladores de campo característico o como redes
neuronales. La característica típica de los reguladores existentes
consiste en que se considera aisladamente cada una de las tareas
individuales de regulación. Las interfaces de usuario (HMI) son,
por consiguiente, correspondientemente específicas y están
realizadas de manera no unitaria. Por otra parte sucede que el
ajuste de los parámetros de los postulados conocidos de regulación
requiere conocimientos técnicos fundamentados de la tecnología de
control y de regulación. Esto dificulta considerablemente la
optimización de la explotación. Teniendo en consideración las
oscilaciones del proceso a largo plazo, como las que resultan, por
ejemplo, de la calidad de la chatarra o del espectro de la
producción, una explotación más eficiente requiere, sin embargo,
precisamente esta optimización.
En el caso de los dispositivos conocidos de
control o bien de regulación constituye un inconveniente, por lo
tanto, el que se da una baja transparencia de la unidad. Hasta el
presente se trabaja de manera preferente con una explotación manual
o únicamente parcialmente automatizada. Por consiguiente únicamente
existe una aplicación controlada de los recursos (productos para la
explotación y tiempo) y hasta el presente no existe una
consideración en conjunto del proceso de fusión.
Así mismo, únicamente existen regulaciones hasta
ahora para los sistemas parciales, por ejemplo para el control de
los quemadores y para la regulación de la escoria esponjosa.
Por consiguiente no existe una aplicación óptima
de la energía. Igualmente se requiere un coste administrativo
relativamente elevado para conseguir una productividad de la
instalación que permanezca a nivel constante.
Por último existe un gran riesgo como
consecuencia de las perturbaciones en la explotación y los tiempos
de detención, que resultan como consecuencia de que las necesarias
intervenciones manuales no son realizadas a tiempo o son realizadas
de una forma inadecuada.
Por consiguiente, la invención tiene como tarea
proponer un procedimiento para la explotación de un horno
metalúrgico de fusión, especialmente para la explotación de un horno
de arco eléctrico, así como un horno, con el cual se eviten o al
menos se reduzcan los inconvenientes citados. Por consiguiente, se
alcanzaría una eficiencia mejorada, es decir una aplicación más
económica de los recursos y un tiempo del procedimiento reducido de
manera óptima. Por lo tanto debe proporcionarse un sistema de
conducción del proceso para la detección y para la regulación
integral del proceso de fusión de un horno de arco eléctrico.
La solución de esta tarea por medio de la
invención se caracteriza, con respecto al procedimiento, porque el
dispositivo de control o de regulación presenta un control o una
regulación convencional y una regulación Fuzzy, que dirigen sus
respectivas magnitudes de ajuste hasta, al menos, un mediador
programable, calculando el mediador, al menos único, la señal que
es empleada de conformidad con un coeficiente de ponderación, que
está establecido de antemano, a partir de las magnitudes de ajuste
que proceden del control o de la regulación convencionales y que
proceden de la regulación Fuzzy.
El mediador puede combinar básicamente tanto las
magnitudes de ajuste de un control (sistema de nivel 1) y una
regulación convencional así como también un control y una regulación
Fuzzy.
Todos los componentes individuales, que son
empleados, están constituidos en este caso de manera equivalente
(con una interfaz hombre-máquina HMI unitaria).
El parámetro reglado de la explotación puede ser
la intensidad de un quemador, con el que se calienta el material en
el horno.
Este parámetro puede ser también la absorción de
potencia de un arco eléctrico, con el que se calienta el material
en el horno.
El parámetro puede ser así mismo la reactancia
de una línea de alimentación con inclusión de la bobina de choque
hasta un arco eléctrico, con el que se calienta el material en el
horno.
El parámetro puede ser así mismo la intensidad
de un post-quemador, con el que se calienta el
material en el horno.
Así mismo puede ser un parámetro que esté
correlacionado con la cantidad de la escoria esponjosa, que se
encuentre en el horno.
El parámetro puede ser así mismo la cantidad de
un gas introducido en un elemento de calefacción del horno. De
manera preferente, el gas puede ser oxígeno o gas natural.
El parámetro reglado de la explotación puede
ser, de la misma manera, la cantidad aportada de hierro.
Con cada parámetro reglado de la explotación
puede estar asociado con un mediador propio.
De manera preferente, se ha previsto que dos,
como mínimo, de manera preferente se previsto que todos los
parámetros reglados de la explotación sean tratados en un sistema de
regulación combinado de manera unitaria.
El horno metalúrgico de fusión, especialmente el
horno de arco eléctrico, para cuya explotación se respeta una
pluralidad de parámetros de la explotación por medio de un
dispositivo de control o de regulación dentro de límites
establecidos de antemano, se caracteriza, de conformidad con la
invención, porque el dispositivo de control o de regulación
presenta un control o una regulación convencionales y una regulación
Fuzzy, estando conectadas ambas regulaciones con, al menos, un
mediador programable, que es adecuado para llevar a cabo el cálculo
de la señal de ajuste, que es utilizada, de conformidad con un
coeficiente de ponderación establecido de antemano a partir de las
magnitudes de ajuste que proceden del control o de la regulación
convencionales y de la regulación Fuzzy.
Las características esenciales de la solución
propuesta consisten por consiguiente en prever el empleo de la
lógica Fuzzy en los algoritmos de regulación que son empleados y en
llevar a cabo una conexión de la tecnología de regulación
convencional y basada en el sistema Fuzzy a través de mediadores. En
este caso se ha previsto, de manera preferente, una arquitectura
modular de los programas de ordenador con asociación de reguladores
que puede ser configurada de manera individual.
El sistema director del proceso integral,
desarrollado con esta finalidad, que tiene en consideración todos
los flujos de materia y de energía, calcula a partir del estado real
del horno y de los parámetros de regulación establecidos de
antemano, las magnitudes de salida preferentemente en siete
algoritmos de regulación especiales: "Burner Control"
(regulación del quemador), "Power-Control"
(regulación de la potencia), "Reactor Control" (regulación de
las etapas de la bobina de choque),
"DRI-Control" (regulación del hierro
directamente reducido DRI), "Post Combustion Control"
(regulación de la post-combustión), "Foaming Slag
Control" (regulación de las escorias esponjosas), "Oxygen
Control" (regulación del oxígeno, por ejemplo chorro). Estas
magnitudes de ajuste se devuelven nuevamente al sistema.
Los algoritmos de regulación están basados, en
este caso, sobre una combinación constituida por la regulación
convencional y por la regulación Fuzzy, estando enlazadas éstas
entre sí a través de los mediadores citados, que pueden ser
configurados y elegidos libremente específicamente para el
algoritmo. De este modo, puede controlarse o bien puede regularse
de manera óptima un horno de arco eléctrico.
El mediador fija la relación proporcional
(ponderación) entre la regulación convencional y la regulación
Fuzzy. El mediador tiene un efecto excluyente en el caso del ajuste
1 (ausencia de regulación Fuzzy, únicamente regulación
convencional) o bien en el caso del ajuste 0 (ausencia de regulación
convencional, únicamente regulación Fuzzy).
Una arquitectura de los programas de ordenador
modular, flexible, orientada al objetivo y dinámica permite una
adaptación sencilla a cada configuración de horno por medio del
ajuste de los parámetros del horno y de regulación (Furnace
Configuration y Control Data).
La asociación de regulación ampliable puede
estar constituida por hasta siete algoritmos de regulación,
inclusive, que pueden ser conectados y desconectados en el proceso,
en concreto
- \bullet
- el "Power Control" (regulación de la potencia),
- \bullet
- el "Burner Control" (regulación del quemador),
- \bullet
- el "Reactor Control" (regulación de las etapas de la bobina de choque),
- \bullet
- el "Post Combustion Control" (regulación de la post-combustión),
- \bullet
- el "Foaming Slag Control" (regulación de las escorias esponjosas),
- \bullet
- el "Oxygen Control" (regulación del oxígeno) y
- \bullet
- el "DRI Control" (regulación del hierro directamente reducido DRI),
que son instalados por medio de un controlador
central. Un regulador Fuzzy general puede acoplarse con cada
regulación específicamente a través de un mediador.
\vskip1.000000\baselineskip
Son preferentes un control y una regulación
autónomos de cada uno de los elementos del horno (quemador de gas
natural-oxígeno, inyectores de oxígeno, inyectores
de oxígeno al post-quemador, inyectores de carbono,
inyectores de hierro directamente reducido DRI), puesto que pueden
ser definidos parámetros de regulación específicos para cada
elemento del horno. Por otra parte cada uno de los elementos
individuales del horno (por ejemplo uno de los quemadores) puede
ser desconectado o puede ser conectado independientemente.
Se lleva a cabo un control central del
desarrollo de los programas de ordenador por medio de un
administrador del proceso. Este administrador inicializa y
monitoriza los sistemas parciales y las tareas del sistema director
del proceso.
Puede llevarse a cabo una conexión flexible,
ampliable e independiente del proceso de las ventanas indicadoras
(Views) y de los archivos de registro (Stores) por medio de la
tecnología del observador (Observer).
Se da una estructura más intuitiva y más
sencilla de las ventanas indicadoras para la representación de los
datos del proceso del sistema para la optimización de la energía del
horno FEOS (Furnace Energy Optimizing System) y del administrador
de los datos de control del FEOS para la parametrización del horno y
de la temperatura de regulación.
La configuración de los parámetros de regulación
y de la configuración del horno puede llevarse a cabo por medio de
un programa independiente y por medio del memorizado de la
configuración en forma de fichero XML (Extensible Markup
Language).
La regulación del proceso trabaja de manera
preferente con un tiempo de cadencia menor o igual que 1
segundo.
De este modo, se dan una monitorización continua
del proceso y una reacción definida a las correspondientes
condiciones del proceso por medio del análisis de la solicitación
térmica de la cuba, de la emisión de ruidos, de las oscilaciones de
la corriente eléctrica, de las magnitudes eléctricas actuales y de
la emisión de gases de escape.
El sistema director del proceso esta basado en
una arquitectura moderna de los programas de ordenador, orientada a
los objetivos, está estructurada de manera modular y ofrece la
posibilidad de conectar o de desconectar en el proceso sistemas
parciales o regulaciones parciales y es fácilmente ampliable debido
a la estructura flexible.
El sistema tiene carácter monitorizante y puede
ser combinado con los sistemas de nivel 1 existentes. El sistema
integra y trata datos de nuevas tecnologías para el análisis de los
gases de escape y para la medición del ruido.
De manera ventajosa, por medio del postulado
integral y por medio de la consideración de todos los flujos de
materia y de energía se obtienen un programa, que reúne en un
sistema todos los conceptos de control y de regulación existentes
hasta ahora. El sistema reúne las especificaciones procedentes del
sistema de nivel 1 del operador en la sala de control y del
ingeniero de procesos.
El sistema ha sido diseñado de conformidad con
los procedimientos más modernos de la tecnología de control y de
regulación así como con el desarrollo más moderno de los programas
de ordenador (modularidad, posibilidad de ampliación,
desacoplamiento entre la visualización y el tratamiento de los
datos) y ha sido programado con los programas de ordenador más
actuales (C#), lo cual subraya el carácter del sistema de poder ser
aplicado en el futuro.
La arquitectura autónoma del sistema posibilita
la aplicación en cualquier acería para hornos de arco de corriente
alterna. El sistema está conectado con la acería a través de un
control lógico programable SPS, sin que sea necesaria una
adaptación por parte del programa de ordenador. Esto se lleva a cabo
exclusivamente a través de la configuración de los parámetros para
los elementos del horno y de los parámetros de regulación.
El sistema propuesto ofrece a una plataforma una
adaptación automática de las magnitudes de ajuste al estado
instantáneo del proceso, posibilita una aplicación optimizada de la
energía eléctrica, de los aditivos químicos (tal como el carbón
menudo y el oxígeno) y garantiza de este modo una mayor
transparencia del proceso de fusión. Esto conduce a una descarga
del personal de servicio, a una disminución de las perturbaciones
durante la explotación y del tiempo de detención así como a la
disminución de los riesgos de accidente.
Al mismo tiempo, se reduce el coste
administrativo por medio de la combinación con los sistemas de nivel
1 existentes y como consecuencia de la fácil adaptabilidad a las
nuevas configuraciones de la instalación.
De aquí resulta una reducción de los costes del
proceso y una minimización del tiempo por tonelada de acero, lo
cual significa una ventaja en costes y, por lo tanto, en
competitividad. De este modo, puede conseguirse una productividad
al mismo nivel con un menor aporte de energía.
En el dibujo se han representado ejemplos de
realización de la invención. Se muestra:
en la figura 1 esquemáticamente la estructura de
una regulación de un horno de arco eléctrico;
en la figura 2 un pantallazo de la pantalla del
dispositivo de regulación para la regulación de la potencia;
en la figura 3 un pantallazo de la pantalla del
dispositivo de regulación para la regulación del quemador;
en la figura 4 el esquema de una arquitectura
del regulador, en el que pueden verse, en conjunto, siete parámetros
de explotación reglados;
en la figura 5 el esquema de una arquitectura
del regulador o bien de una arquitectura del programa de
ordenador;
en la figura 6 esquemáticamente la descripción
funcional de los procesos que tienen lugar en el horno y la
definición de los elementos Fuzzy; y
en la figura 7 esquemáticamente la incorporación
del sistema de regulación del horno en un entorno.
En la figura 1 se ha representado
esquemáticamente la estructura de una regulación 1 destinada a la
regulación de un horno de arco eléctrico 2. En una cuba 3 se
encuentra metal 4, que debe ser fundido. Por medio de un electrodo
5 se aporta energía eléctrica en el horno y, de este modo, se funde
el metal.
El horno 2 sirve para la recuperación de acero
procedente de chatarra de acero, empleándose además de la chatarra
concomitantemente, también, hierro directamente reducido así como
hierro en bruto. El horno tiene un considerable significado
económico con una proporción de la generación de acero mundial
correspondiente al 35%.
La materia prima se funde esencialmente por
medio de arcos eléctricos de corriente continua o de corriente
alterna. De manera típica, esto se verifica según el proceso por
tandas. De igual modo, es posible aportar hierro en bruto líquido
al horno antes o después de la carga de la chatarra o es posible
aportar de manera continua la chatarra o bien el hierro
directamente reducido. La potencia de fusión está determinada por la
intensidad de la corriente eléctrica y por la tensión del arco
eléctrico. La intensidad de la corriente eléctrica puede elegirse
libremente, en principio, dentro de los límites específicos de la
instalación y del proceso, así como la tensión del arco eléctrico
del horno de arco eléctrico de corriente continua. En el caso de los
hornos de arco eléctrico de corriente alterna, la tensión del arco
eléctrico puede establecerse previamente en etapas, que están
determinadas por el diseño del transformador. El objetivo general
consiste en elegir los parámetros de tal manera, que se consiga una
elevada productividad y una baja necesidad energética. Este óptimo
es específico de la instalación y depende considerablemente del
estado instantáneo del proceso.
Otro parámetro eléctrico que puede ser
modificado de forma dinámica en el desarrollo del proceso está dado
por la reactancia en serie, al menos en tanto en cuanto ésta pueda
ser realizada por medio de una bobina de choque, que puede ser
conectada bajo carga o que puede ser regulada de manera escalonada.
Una elevada reactancia conduce a calmar el proceso en el horno, una
baja reactancia conduce a una elevada tensión disponible para el
arco eléctrico.
Además de la energía eléctrica, que puede ser
aportada a través de los arcos eléctricos, son utilizadas muchas
energías auxiliares. Estas energías juegan un papel esencial en un
horno moderno de arco eléctrico.
En primer lugar deben citarse, en este caso, los
quemadores de gas natural- oxígeno (o en general también quemadores
de combustible-oxígeno). Estos quemadores están
dispuestos sobre la periferia de la cuba del horno, durante la
primera etapa del proceso favorecen la fusión a baja temperatura del
mineral en bruto de chatarra. En general los quemadores representan
en este instante una forma muy eficiente de aprovechamiento de la
energía. La duración y la potencia óptimas de aplicación están
determinadas en este caso por la consistencia del mineral en bruto
de chatarra en la correspondiente zona del quemador. El
correspondiente óptimo, por consiguiente, es tanto específico de la
instalación así como, también, depende de la carga actual.
Otra fuente de energía está dada por la
atmósfera que se encuentra dentro de la cuba del horno. Esta
atmósfera puede contener proporciones considerables de monóxido de
carbono, de metano y de hidrógeno. Por medio de la inyección de
oxígeno puede ser aprovechada la energía química contenida en su
interior. Por una parte puede ser controlada la cantidad de oxígeno
por medio de la estequiometría del quemador ya citado, por otra
parte están presentes en caso dado por separado los denominados
inyectores de oxígeno post-combustión en la zona
superior del horno. El punto óptimo de la explotación de estos
inyectores depende de la composición de la atmósfera del horno y
del estado térmico de la cuba del horno, de manera especial de la
tapa de la cuba y del colector de los gases de escape. Debe tenerse
en consideración que la composición de la atmósfera del horno puede
modificarse considerablemente en el transcurso de un breve espacio
de tiempo.
Como otro factor importante del aporte de
energía debe citarse la inyección de oxígeno y de carbón menudo en
el baño de acero. Esto se verifica a través de manipuladores de las
lanzas y/o de los inyectores por ultrasonidos. Además de los
aspectos metalúrgicos, el aporte de carbón menudo y de oxígeno sirve
de manera especial para el establecimiento de escoria esponjosa, es
decir la escoria que flota sobre el baño de acero se transforma en
esponja por medio de las burbujas de monóxido de carbono resultantes
hasta un volumen equivalente entre diez y veinte veces su volumen
original. De este modo se garantiza, incluso cuando el baño de
acero sea líquido, un buen recubrimiento del arco eléctrico y, por
lo tanto, una buena transmisión de la energía hasta la fusión.
Además de la insuflación de una cantidad adecuada respectivamente
de oxígeno y de carbón menudo, la composición de la escoria y su
viscosidad juegan un papel importante en la generación de la
escoria esponjosa.
Como último influjo material interesante desde
el punto de vista energético debe citarse el aporte de hierro
directamente reducido. Se ofrece el aporte del mismo ) de manera
continua con el baño de acero líquido. La velocidad óptima de
transporte se caracteriza porque la temperatura del baño de acero y
de la escoria se mantiene, durante el período de tiempo del
transporte, a un nivel de temperatura constante, que es adecuado
para la formación de la escoria esponjosa. Por otra parte, debe
tenerse en consideración que la cantidad de carbono variable, que
está contenida en el hierro directamente reducido, tiene un efecto
sobre la formación de la escoria esponjosa.
Con relación a la figura 1 debe establecerse
además lo siguiente:
La regulación 1 recibe de quemadores (no
representados) en 6, 7, 8 las magnitudes de estado en forma de
valores reales. La regulación 1 presenta al menos dos unidades de
regulación 9 y 10 que han sido indicadas sólo de manera muy )
esquemática, concretamente una primera regulación 9 convencional y
una segunda regulación Fuzzy 10. Ambas regulaciones emiten, en
función de los algoritmos depositados en las mismas, magnitudes de
ajuste St_{K} y respectivamente St_{F}, que llegan hasta un
mediador 11.
El mediador 11 calcula la magnitud de ajuste St
real que es emitida a partir de la ecuación:
St = St_{k} \ x \ F \ + \ St_{F}
\ x \
(1-F)
con:
St: magnitud de ajuste
St_{K}: magnitud de ajuste de conformidad con
la regulación convencional
St_{F}: magnitud de ajuste de conformidad con
la regulación Fuzzy
F: coeficiente mediador.
Con esta finalidad, en primer lugar se inicia el
proceso de regulación completo a través de una ventana de inicio.
En este caso, se consulta un reloj conmutador del proceso, que
inicializa y que pone en marcha en el transcurso de un segundo los
siguientes sistemas parciales y procesos:
- \bullet
- la inicialización del administrador del proceso,
- \bullet
- la introducción en memoria de la configuración del horno a partir de los datos XML,
- \bullet
- la introducción en memoria de los datos del proceso (estado real del horno) a partir del SPS a través de un servidor de control de imagen óptimo OPC (Optimum Picture Control),
- \bullet
- la introducción en memoria de los parámetros de regulación a partir de los datos XML,
- \bullet
- la inicialización de la regulación 1 (Controller) y puesta en marcha de los algoritmos de regulación,
- \bullet
- el procesamiento secuencial de los algoritmos de regulación,
- \bullet
- el cálculo de las magnitudes de ajuste,
- \bullet
- la grabación de las magnitudes de ajuste en los datos del proceso,
- \bullet
- la emisión de las magnitudes de ajuste hasta el SPS a través del servidor OPC,
- \bullet
- la representación de los datos sobre una superficie dinámica (Views),
- \bullet
- el almacenamiento de los datos (estado real, magnitudes de regulación) en los archivos de registro.
\vskip1.000000\baselineskip
En la regulación 1 (Controller) son definidas e
inicializadas las regulaciones parciales. En función de la
configuración del horno se ponen en marcha las regulaciones
parciales de conformidad con el número de los elementos del
horno.
Cuando existan en un horno - de conformidad con
el ejemplo de realización según la figura 1 - por ejemplo tres
quemadores, se recorrerá el algoritmo de regulación tres veces con
los parámetros de regulación específicos correspondientes. En los
parámetros de regulación (Control Data) están definidos los
parámetros Fuzzy, los parámetros de la regulación convencionales y
los mediadores. Como resultado se calculan por cada magnitud del
proceso tres magnitudes de ajuste diferentes para los tres
quemadores.
El enlace de las magnitudes de ajuste de la
tecnología de regulación convencional y de la lógica Fuzzy se lleva
a cabo a través del mediador 11 de conformidad con la fórmula
precedente.
Por otra parte, es posible la conexión y la
desconexión de los algoritmos de regulación, además de la elección
entre la tecnología de regulación convencional y basada en el
sistema Fuzzy, tanto en conjunto así como, también, de manera
específica, para un elemento individual del horno.
El empleo de la lógica Fuzzy ofrece la
posibilidad de integrar las experiencias y los conocimientos
específicos del ingeniero de procesos y del operador de la sala de
control en la base de regulación convencional. De este modo pueden
integrarse zonas y formas de comportamiento del horno en las
regulaciones, que no se encuentran al alcance de la metrotécnica
directa.
La relación entre los algoritmos de regulación
puede verse en la figura 4.
El programa de ordenador está constituido por
un concepto de programa de ordenador modular, autónomo, flexible y
dinámico. El programa está estructurado y montado de tal manera,
que es posible una sencilla adaptación a cada configuración del
horno por medio del ajuste de los parámetros del horno (Furnace
Configuration) y de los parámetros de regulación (Control Data). El
carácter modular posibilita una sencilla ampliación, lo cual se
refiere tanto a los algoritmos de regulación, a los parámetros del
horno así como, también, a la visualización del proceso.
La arquitectura autónoma del sistema posibilita
el empleo en cualquier acería para hornos de arco eléctrico de
corriente alterna. El sistema está conectado a través de un SPS con
la acería, sin que sea necesaria una adaptación con respecto al
programa de ordenador. Esto se lleva a cabo de manera exclusiva a
través de la configuración de los parámetros para los elementos del
horno y los parámetros de regulación.
\newpage
La expresión dinámica del programa
posibilita
- \bullet
- una sencilla adaptación del sistema a una nueva configuración del horno,
- \bullet
- la estructuración automática de los algoritmos,
- \bullet
- la adaptación automática de la visualización del proceso y
- \bullet
- una adaptación automática de los archivos de registro,
a base de la configuración del horno previamente
definida, sin que tengan que llevarse a cabo adaptaciones con
respecto al programa de ordenador.
\vskip1.000000\baselineskip
La representación de los datos del proceso se
lleva a cabo según los principios de las configuraciones
superficiales modernas, intuitivas y ergonómicas (diseño GUI). Por
consiguiente las superficies para la representación de los datos
del proceso se llevaron a cabo de conformidad con los principios
modernos de la configuración superficial e incluyen las exigencias
de los aceristas. El objetivo consiste en proporcionar una
información máxima con el menor número posible de ventanas y de
procesos de conmutación.
En las figuras 2 y 3 se muestra respectivamente
un pantallazo (Screen-Shot) de la pantalla del
dispositivo de regulación, una vez para la regulación de la
potencia ("Power") y una vez para el quemador
("InjectorSystem Burner").
Para la estructuración del sistema debe
observarse lo siguiente (véanse también a este respecto las figuras
4 y 5, de las que se deducen los esquemas de la arquitectura y de la
regulación):
Reloj conmutador del
proceso/HMI-principal: en el botón de puesta en
marcha está alojado en la forma principal, por medio del cual se
pone en marcha y se detiene el proceso a través de un reloj
conmutador. Por otra parte pueden transferirse al sistema nuevos
parámetros de regulación con el proceso en marcha, en caso que sean
necesarias adaptaciones de los algoritmos de regulación. Fuera de la
forma principal no hay que accionar otros botones, el proceso
discurre en un segundo plano, independientemente del operador. En
general son posibles intervenciones (HMI) del servidor desde una
superficie independiente (superficie WiaCC).
Administrador del proceso: el administrador del
proceso es el elemento de control central en el sistema. A través
del mismo se delegan y se ponen en marcha todas las tareas. Éste
establece el orden de los procesos parciales.
Controller: en el Controller (regulación 1) se
definen y se inicializan todas las regulaciones parciales. En
función de la configuración del horno se llevan a cabo las
regulaciones parciales de acuerdo con el número de los elementos
del horno. La excepción está constituida por la regulación de la
potencia (Power Control), la regulación de las etapas de la bobina
de choque (Reactor Control) y la regulación del aporte de hierro
(DRI-Control), que únicamente se llevan a cabo una
vez en el horno.
Comunicación SPS/OPC: esta clase establece los
métodos "ReadData" y "WriteData" para la conexión con el
SPS. Los datos del proceso pueden ser enviados al SPS y pueden ser
captados por el SPS. La comunicación se lleva a cabo a través de un
servidor OPC.
Process Data: datos, que son extraídos del
proceso, siendo almacenados en los objetos con la identificación PD
(estado real, Limits). De la misma manera son almacenados
provisionalmente (magnitudes de ajuste; Set) los datos, que son
enviados al proceso, en los objetos con la identificación PD.
Control Data: datos, que son introducidos
previamente por el ingeniero del proceso, siendo almacenados en los
objetos con la identificación CD (valores límite, máximo, mínimo,
Control-Daten, juegos Fuzzy, especificaciones de
utilización de las partes del programa). Estos datos son
introducidos a través de las máscaras del sistema FEOS, sin que el
operador (fundidor) tenga acceso a los mismos.
El sistema director del proceso desarrollado
para hornos de arco eléctrico se caracteriza, por lo tanto, porque
todos los flujos de materia y de energía que han sido citados
precedentemente (y, en caso dado, también otros) están regulados
por una (única) asociación de regulación. De este modo, se produce
una interfaz de usuario unitaria (HMI), que ofrece considerables
ventajas en cuanto a su manejabilidad.
Además del conocido control a través de
diagramas de marcha y de los postulados clásicos de regulación se
ha realizado, a título de otra innovación, para cada una de las
magnitudes de ajuste, una regulación basada en la lógica Fuzzy. Los
reguladores de lógica Fuzzy ofrecen a los expertos en hornos de arco
eléctrico, incluso sin otros conocimientos básicos de la tecnología
de regulación, la posibilidad de una optimización rápida y que
conduce a los objetivos. En base a sus conocimientos cualificados,
el experto puede definir claramente las variables lingüísticas y
las reglas correspondientes. El experto sabe, por ejemplo, qué
cantidad de grados Celsius se esconde detrás de una "temperatura
elevada del agua de refrigeración" y el modo en que tiene que
reaccionar a la misma.
La elección del algoritmo Fuzzy es prácticamente
arbitraria, en general es conveniente el método maxprod. De la
misma manera, la forma y el número de los conjuntos correspondientes
pueden ser adaptados arbitrariamente a la tarea planteada. Para
conseguir comportamientos dinámicos pueden ser empleadas como
magnitudes de entrada las correspondientes magnitudes dinámicas,
tal como la derivada de una temperatura.
La regulación descrita ofrece al servidor la
posibilidad de conmutar del control a la regulación de manera
continua por medio del coeficiente de ponderación F. De conformidad
con el coeficiente de ponderación, el valor de ajuste realmente
aplicado se compone a partir de las especificaciones del control y
de la regulación, manteniéndose límites de plausibilidad. Esto es
posible puesto que los reguladores no contienen partes
integrativas.
Por consiguiente, de conformidad con la
propuesta según la invención, se reúnen las regulaciones
individuales aisladas para formar una asociación de regulación. En
lugar de un gran número de interfaces diferentes se ha previsto
únicamente una sola interfaz de servidor (HMI). La realización de la
regulación se lleva a cabo por medio de la lógica Fuzzy. Una
transición flexible desde un control hasta una regulación, por
ejemplo incluso hasta la regulación de lógica Fuzzy está asegurada
por medio de los mediadores que pueden ser ajustados.
La figura 6 muestra a este respecto de manera
esquemática la descripción funcional de los procesos que tienen
lugar en el horno por medio de la especificación del sistema de
nivel 1 y de la descripción por medio de las constantes de tiempo
(sobre el lado izquierdo) y la descripción de los juegos Fuzzy
(definición de los elementos Fuzzy) y su grado de influjo (sobre el
lado derecho) así como la especificación resultante de los
parámetros de influjo en el mediador (allí: ponderación del influjo
de los diferentes conceptos de regulación; concluyéndose con los
valores teóricos generados a partir de los medios ponderados de
ambos conceptos de regulación). De aquí resultan, a su vez, los
valores teóricos (magnitudes de ajuste) del circuito de
regulación.
En la figura 7 se ha representado
esquemáticamente la incorporación del sistema de regulación
("Control") del horno ("Electric Arc Furnace") en un
ambiente, a través del cual se proporcionen los datos necesarios
para la explotación del sistema.
- 1
- Regulación
- 2
- Horno de arco eléctrico
- 3
- Cuba
- 4
- Metal a ser fundido
- 5
- Electrodo
- 6
- Quemador
- 7
- Quemador
- 8
- Quemador
- 9
- Unidad convencional de control o de regulación
- 10
- Unidad de regulación Fuzzy
- 11
- Mediador
- St
- Magnitud de ajuste
- St_{K}
- Magnitud convencional de ajuste
- St_{F}
- Magnitud Fuzzy de ajuste
- F
- Coeficiente mediador.
Claims (11)
1. Procedimiento para la explotación de un horno
(2) metalúrgico de fusión, de manera especial para la explotación
de un horno de arco eléctrico, en cuya explotación se respeta una
pluralidad de parámetros de la explotación dentro de límites
establecidos de antemano, empleándose con esta finalidad un
dispositivo (1) de control o de regulación, caracterizado
porque el dispositivo (1) de regulación o de control presenta una
unidad convencional (9) de control o de regulación y una unidad
Fuzzy (10) de regulación, que dirige sus respectivas magnitudes de
ajuste (St_{K}, St_{F}) hacia, al menos, un mediador (11),
calculando el mediador (11) la señal de ajuste, que es empleada, de
conformidad con un coeficiente de ponderación (F) establecido de
antemano a partir de las magnitudes de regulación, que proceden de
la unidad convencional (9) de control o de regulación y de la
unidad Fuzzy (10) de regulación (10).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el parámetro reglado de la explotación
es la intensidad de un quemador, con el que se calienta el material
en el horno (2).
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el parámetro reglado de la explotación
es la absorción de potencia de un arco eléctrico, con el que se
calienta el material en el horno (2).
4. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el parámetro reglado de la explotación
es la reactancia de un conducto de alimentación con inclusión de la
bobina de choque hacia un arco eléctrico, con el que se calienta el
material en el horno (2).
5. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el parámetro reglado de la explotación
es la intensidad de un post-quemador, con el que se
calienta el material en el horno (2).
6. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el parámetro reglado de la explotación
es un parámetro, que está en correlación con la cantidad de escoria
esponjosa, que se encuentra en el horno (2).
7. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque como parámetro reglado de la explotación
se toma en consideración la cantidad de un gas introducido en un
elemento de calefacción del horno (2).
8. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque como parámetro reglado de la explotación
se toma en consideración la cantidad aportada del hierro.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 2 a 8, caracterizado porque se tratan en una
sola regulación (1) al menos dos de los parámetros reglados de la
explotación.
10. Horno (1) metalúrgico de fusión, de manera
especial horno de arco eléctrico, en cuya explotación se respeta
una pluralidad de parámetros de la explotación, por medio de un
dispositivo (1) de control o de regulación, dentro de límites
establecidos de antemano, de manera especial para la realización del
procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9,
caracterizado porque el dispositivo (1) de control o de
regulación presenta una unidad convencional (9) de control o de
regulación y una unidad Fuzzy (10) de regulación, estando conectadas
las dos unidades (9, 10) de regulación con, al menos, un mediador
(11) programable, que es adecuado para llevar a cabo el cálculo de
la señal de ajuste, que es empleada, de conformidad con un
coeficiente de ponderación (F) establecido de antemano, a partir de
las magnitudes de ajuste que proceden de la unidad convencional (9)
de control o de regulación y de la unidad Fuzzy de regulación.
11. Horno, según la reivindicación 10,
caracterizado porque con cada parámetro reglado de la
explotación está asociado un mediador (11) propio.
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