W dotychczas stosowanej praktyce odlewniczej określone przez technologa udziały poszczególnych materiałów wsadowych do pieców odlewniczych wpisywano do dokumentacji produkcyjnej, na przykład do tak zwanych „kart wytopów” i przekazywano pracownikom obsługi pola wsadowego do realizacji procesu zestawiania wsadu. Zmiany tych udziałów dokonywano zazwyczaj dopiero podczas zmiany planu produkcyjnego lub gdy nastąpiły zmiany rodzaju i ilości dostępnych na polu wsadowym materiałów. Bazując na niekiedy istotnie różniących się od siebie składach chemicznych podanych w atestach zakupionych materiałów wsadowych tej samej grupy, nie dokonywano odpowiednich przeliczeń namiaru wsadu oraz gromadzono w tych samych zasobnikach materiały z różnych dostaw. Taka praktyka często wynikała z braku odpowiednich programów obliczeniowych, które efektywnie w warunkach wymagań produkcyjnych pomogłyby technologowi podjąć decyzję o modyfikacji namiaru wsadu, po każdej zmianie wartości parametrów stosowanych materiałów wsadowych.
Systemy naważania i załadunku różnych typów pieców odlewniczych bazują na ustalonych wartościach parametrów stosowanych materiałów wsadowych i mają za zadanie stabilizację całego procesu zestawiania wsadu. Wymusza to zapewnienie dostaw materiałów wsadowych o ściśle ustalonym składzie chemicznym, postaci i czystości. Systemy sterowania w tych przypadkach zazwyczaj realizują algorytmy znane z teorii sterowania automatycznego, powszechnie dostępnej w licznej literaturze, na przykład w [6, 7, 14, 19, 47].
Zaproponowany w tym rozdziale algorytm wieloetapowej optymalizacji zestawiania wsadu do pieców odlewniczych bazuje na następujących założeniach:
informacje o parametrach materiałów wsadowych (skład chemiczny, kawałkowatość, uzysk każdego pierwiastka chemicznego, cena jednostkowa) są gromadzone w odpowiednio zaprojektowanej relacyjnej bazie danych, obsługiwanej przez dedykowany program komputerowy,
obliczenia optymalizacyjne, dla odpowiednio utworzonych macierzy i wektorów określających funkcję celu i układów warunków ograniczających, są realizowane metodą sympleksów zaimplementowaną w postaci biblioteki procedur i funkcji,
znane są wartości rozrzutu masy dla poszczególnych materiałów wsadowych, wyznaczone na przykład za pomocą rozmytej regresji liniowej.
Na rysunku 5.1 przedstawiono schemat blokowy opracowanego algorytmu wieloetapowej optymalizacji zestawiania wsadu do pieców odlewniczych.
W ujęciu ogólnym algorytm ten składa się z trzech części. Część pierwsza obejmuje wczytania wszystkich niezbędnych danych wejściowych oraz obliczenie początkowego (startowego) optymalnego namiaru wsadu. W części drugiej następuje cykliczne ważenie lub dozowanie kolejnych materiałów wsadowych oraz obliczenie udziału następnego składnika wsadu, natomiast w części trzeciej finalizowane jest zestawienie i załadunek wsadu do pieca.
Rys. 5.1. Schemat blokowy algorytmu wieloetapowej optymalizacji zestawiania wsadu do pieców odlewniczych
START
STOP
Wczytanie danych wejściowych
Obliczenie optymalnego ekonomicznie namiaru wsadu
uwzględniającego wszystkie materiały wsadowe k = 1 Obliczenie optymalnego udziału następnych materiałów wsadowych k = k+1 Czy k > N ? Nie Tak
Załadunek składników wsadu o nie istotnej kolejności ważenia lub dozowania
Załadunek wsadu do pieca odlewniczego Ustalenie kolejności ważenia
Ważenie lub dozowanie k-tego składnika wsadu Wyznaczenie zakresu stosowalności k-tego materiału Czy zważona masa jest w zakresie? Nie 1 1 2 2
Zadania realizowane w poszczególnych krokach kolejnych etapów algorytmu zostaną wyjaśnione na tle przykładowego szkicu struktury pola wsadowego (rys. 5.2).
Rys. 5.2. Uproszczony schemat przykładowej struktury pola wsadowego
Umieszczona na rysunku 5.2 ikona komputera graficznie symbolizuje system informatyczny, gromadzący i przetwarzający wszystkie niezbędne dane oraz realizujący wymagane algorytmem obliczenia, a także sterujący pracą urządzeń ważących lub dozujących. Przyjęto tutaj, że pole wsadowe składa się z N zasobników materiałów wsadowych, z których pobieranie odpowiedniej ilości jest realizowane za pomocą podwieszonego do suwnicy chwytaka elektromagnetycznego. Zważony materiał jest tym chwytakiem transportowany do wózka załadowczego, przemieszczającego się po torach.
Algorytm funkcjonuje według następujących etapów i kroków:
Etap 0. Ustalenie warunków początkowych zestawiania wsadu do pieców odlewniczych. Krok 1. Wczytanie wszystkich niezbędnych danych wejściowych.
Krok 2. Wyznaczenie początkowego (startowego) optymalnego ekonomicznie namiaru
wsadu poprzez rozwiązanie zadania minimalizacji funkcji celu (2.5) dla układu ograniczeń w postaci (2.6).
Krok 3. Wyznaczenie zakresu stosowalności każdego materiału wsadowego dla
optymalizacyjnych (j=1,2,…,N), w których funkcje celu przyjmują postać odpowiednio: d j j m x minimum (5.1) oraz g j j m x maximum (5.2)
przy czym układ warunków ograniczających jest określony ma postać (2.6). Określone w tym kroku wartości przedziałów mjd÷mjg dają technologowi precyzyjną informację w jakim zakresie użycie każdego j-tego materiału wsadowego gwarantuje uzyskanie wymaganego składu chemicznego wsadu. Jednocześnie tak wyznaczone przedziały stosowalności mogą posłużyć pracownikom obsługujących urządzenia pola wsadowego, do określenia, czy uzyskane naważki poszczególnych składników wsadowych mieszczą się w tych przedziałach.
Krok 4. Ustalenie kolejności ważenia lub dozowania materiałów wsadowych. W tym
celu przyjęto obliczanie wartości parametru nazwanego wskaźnikiem kolejności ważenia zależnej od:
optymalnej wartości udziału każdego materiału wsadowego we wsadzie, szerokości przedziału stosowalności danego składnika wsadowego, precyzji ważenia poszczególnych materiałów wsadowych.
Wartość wskaźnika kolejności ważenia W, wyznacza się z zależności:
100 j j , %, j j j j j R S W R S U MAX U (5.3) gdzie:
Rj – rozrzut ważenia lub dozowania j-tego materiału wsadowego, kg. Dla materiałów o stałej masie każdego kawałka lub sztuki (na przykład brykiety sprasowanych blach lub worki z nawęglaczem) przyjmuje się wartość zerową,
Sj – szerokość przedziału stosowalności j-tego składnika wsadu, kg. W przypadku materiałów o ściśle założonym udziale we wsadzie przyjmuje się wartość zerową,
Uj – optymalny udział j-tego materiału wsadowego, wynikający z rozwiązania w kroku 2 etapu 0 zadania optymalizacji namiaru wsadu, kg,
MAX – funkcja wyznaczająca maksymalną wartość wskaźnika W dla wszystkich j, kg,
j – indeks materiału wsadowego (j=1,2,…,N; N – liczba uwzględnianych materiałów wsadowych).
Wskaźnik kolejności ważenia może przyjmować wartości 0÷100%. Materiał wsadowy, którego wartość wskaźnika będzie równa 100%, będzie pierwszym składnikiem wsadowym ważonym lub dozowanym w procesie zestawiania wsadu. Im wartość tego wskaźnika będzie mniejsza, tym później będzie pobierany składnik wsadowy w sekwencji zestawiania wsadu.
Kolejność pobierania materiałów wsadowych, dla których wartość wskaźnika będzie równa 0, co jednocześnie oznacza, że mogą być one precyzyjnie ważone lub odliczone (na sztuki), nie jest istotna, gdyż nie wpływa na ewentualne odstępstwa od zakładanego składu chemicznego przygotowywanego wsadu.
Krok 5. Przekazanie informacji dotyczącej kolejności ważenia oraz wartości udziałów
poszczególnych materiałów wsadowych do systemu sterowania urządzeniami pola wsadowego lub pracownikom je obsługujących.
Na rysunku 5.3 pokazano przykładowy widok okienka monitorowania działania algorytmu w chwili zakończenia etapu 0.
Rys. 5.3. Widok przykładowego okienka monitorowania działania algorytmu po etapie 0.
Etap j j=1,2,…,N). Ważenie lub dozowanie j-tego składnika wsadu według ustalonej
w etapie 0 kolejności.
Krok 1. Ustawienie chwytaka elektromagnetycznego nad zasobnikiem j-tego materiału
wsadowego.
Krok 2. Nastawienie właściwej mocy zasilania dla określonej wartości udziału j-tego
składnika wsadu.
Krok 3. Zważenie j-tego materiału wsadowego i sprawdzenie, czy jego udział mieści się
w przedziale stosowalności. Jeśli nie, to należy skorygować ilość tego materiału. Jeśli tak, to następuje przekazanie odczytu wagi do systemu sterowania procesem zestawiania wsadu.
Krok 4. Przejazd chwytaka nad wóz załadowczy i rozładowanie j-tego materiału
wsadowego.
Krok 5. Obliczenie (dla j<N) udziałów i przedziałów stosowalności następnych
w kolejności ważenia materiałów wsadowych.
Krok 6. Przejazd wozu załadowczego do zasobnika następnego materiału wsadowego.
Kroki 1÷6 wykonuje się we wszystkich etapach 1÷N algorytmu zestawiania wsadu. Na rysunku 5.4 pokazano widok przykładowego okienka monitorowania funkcjonowania algorytmu zestawiania wsadu po zakończeniu etapu N.
Rys. 5.4. Widok przykładowego okienka monitorowania działania algorytmu po etapie N.
Po zakończeniu ostatniego (N-tego) etapu pracy algorytmu można do wózka załadować te składniki wsadu, których wartości wskaźnika kolejności ważenia były zerowe. Po uzupełnieniu tymi materiałami, wózek załadowczy wyładowuje wsad do pieca odlewniczego.
Przedstawiony w tym rozdziale algorytm wieloetapowej optymalizacji zestawiania wsadu do pieców odlewniczych może być zastosowany w systemach przygotowania wsadu dla różnych typów pieców odlewniczych, dla których w sposób cykliczny dobiera się odpowiednie udziały co najmniej dwóch materiałów wsadowych. Nie ma tutaj ograniczeń związanych z techniką ważenia czy odmierzania ilości poszczególnych składników wsadu. System sterowany za pomocą opracowanego algorytmu może być stosowany w odlewniach stopów żelaza lub metali nieżelaznych. Szczególnie jest dedykowany w przypadku stosowania materiałów nieprecyzyjnie ważonych lub dozowanych, z powodu występowania w procesie zestawiania wsadu różnego typu błędów i odchyłek.