Введение к работе
Актуальность темы. Листовое стекло представляет важнейший вид продукции, вырабатываемой стекольной промышленностью. Наибольшую часть листового стекла используют в промышленности, гражданском, жилищном и сельскохозяйственном строительстве. Крупными потребителями являются автомобилестроение, вагоностроение, железнодорожный транспорт. Тенденция развития производства листового стекла в мире такова, что новейший и наиболее прогрессивный флоат-процесс вытесняет остальные способы выработки стекла. Сегодня в мире более 75% листового стекла вырабатывается этим способом, а в США эта доля составляет 95%. В России все еше значительный объем листового стекла вырабатывается способом вертикального вытягивания (ВВС). Доля флоат-стекла составляет относительно небольшой вес.
В стекольной промышленности накоплен определенный опыт создания и внедрения АСУТП, использования вычислительной техники, математического моделирования и математических методов при проведении научных исследований. Первая управляющая ЭВМ типа УМНХ была внедрена на Лисичанском механизированном заводе в 1975-76 гг., немногим позже (1977 г.) при непосредственном участии автора этой работы была внедрена АСУТП стекловарения на базе мини-ЭВМ типа "Саратов" на Гусевском стекольном заводе Владимирской области. С момента внедрения первых промышленных систем на базе малых машин и аппаратуры государственной системы приборов в теории и практике создания и применения АСУ в стекольном производстве были достигнуты определенные результаты: разработаны основы построения АСУ с определением их функций, структуры и видов обеспечения; получили развитие новые информационные технологии на базе персональных ЭВМ; разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию задачи автоматизированного управления основным технологическим оборудованием и технологической линии по технико-экономическим показателям и др.
Тем не менее сложность физико-химических процессов, протекающих в технологическом оборудовании при производстве листового стекла, неточность аналитических моделей, сложность физического моделирования, негибкость физических моделей и их невысокая точность делают актуальными работы по созданию математических моделей и использованию их для прогноза и управления процессом производства стекла.
Проблемы математического моделирования, разработки автоматизированных систем управления технологическим процессом производства листового стекла привлекают внимание ученых и специалистов в России и за рубежом. Вопросы математического описания объектов управления и построения автоматизированных систем отражены в работах ученых и специалистов, среди которых в последнее время известны работы В.В. Кафарова, И.Н. Дорохова, В.Е. Маневича, Н.А. Панковой, Е.П. Маркова, В.Ф. Солинова и др.
Данная работа отражает результаты научных исследований, выполненных в 1974-89 гг. Отраслевой лабораторией Министерства промышленности строительных материалов РСФСР при Владимирском политехническом институте и в последующие годы при непосредственном участии и под научным руководством автора.
Основные направления исследований, выполненные в работе, связаны с решением следующих задач.
-
Построение математических моделей процессов, протекающих в основном технологическом оборудовании производства листового стекла, позволяющих решать задачи управления отдельными агрегатами и технологической линией в целом.
-
Использование имитационного моделирования для предварительной настройки и оценки эффективности алгоритмов управления на этапе научных исследований на ранней стадии проектирования АСУТП стекольных производств.
-
Структурный синтез автоматизированных систем управления основного технологического оборудования и в целом участка варки-выработки в производстве листового стекла способом вертикального вытягивания и фло-ат-способом.
-
Разработка автоматизированных систем поддержки принятия решений на базе персональных ЭВМ для операторов - стекловаров и технологов стекольного производства.
-
Разработка нестандартных технических средств локальной автоматики и вычислительной техники для построения АСУТП стекольных производств.
На основе обобщения выполненных автором исследований в диссертации разработаны методы синтеза математических моделей, выбора алгоритмов и структуры автоматизированной системы управления, предложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит существенный вклад в теорию и практику автоматизированного управления слож-
-3-ными технологическими процессами непрерывных производств.
Целью диссертационной работы является выработка концепции, разработка методов и средств автоматизации управления технологическим процессом варки-выработки в производстве листового стекла. Поставленные в работе цели достигнуты за счет решения следующих задач:
1. Сформулирована задача управления технологическим процессом производства листового стекла. Обоснованы критерии управления процессом варки-выработки. Проведена декомпозиция задачи управления. Выделены частные критерии управления основным технологическим оборудованием. Установлена целесообразность использования математических моделей в качестве датчиков состояния системы.
-
Разработаны математические модели случайных процессов возмущающих воздействий, режимных переменных основного оборудования и показателей качества вырабатываемого стекла. С использованием моделей определены параметры алгоритмов машинного контроля, прогнозирования тренда, план промышленного эксперимента по идентификации объектов управления (дискретность сбора данных, продолжительность эксперимента, отбор влияющих факторов и др. ).
-
Созданы математические модели, описывающие протекающие процессы в основном технологическом оборудовании участка варки-выработки, позволяющие решать задачи стабилизации технологических процессов, прогнозировать изменение свойств и содержание пороков в вырабатываемом стекле, принимать решения по упреждающей коррекции режимов работы основного технологического оборудования.
-
Разработан метод статистического моделирования систем автоматизированного управления с использованием ретроспективных данных, собранных с объекта в режиме нормальной эксплуатации (ручного управления). Реализован вычислительный эксперимент по настройке и испытанию алгоритмов управления, оценена их эффективность по сравнению с ручным управлением.
5. Синтезирована структура системы управления участка варки-
выработки листового стекла и основного оборудования с использованием
микропроцессорных средств автоматики, персональных ЭВМ и локальных
сетей. Разработаны нестандартные устройства для контроля работы техноло
гического оборудования, счета листов стекла и комплексирования микропро
цессорных средств автоматики с персональной ЭВМ в единую вычислитель
ную систему.
-
Разработаны программные средства идентификации случайных процессов и моделирования систем управления, создано математическое и программное обеспечение для автоматизированных рабочих мест оператора и те;снолога стекольных производств, прикладное математическое и программное обеспечение для АСУТП стекловарения.
-
Решен комплекс задач, связанный с созданием и внедрением автоматизированных систем управления основным технологическим оборудованием и технологической линией производства листового стекла на ведущих промышленных предприятий отрасли.
Методы исследования
В основу решения поставленных задач положен выполненный на базе кибернетического подхода анализ технологического процесса производства листового стекла на примерах флоат-способа и способа вертикального вытягивания, синтез структуры моделей процесса и автоматизированной системы управления. Модели строились на основе введенных в рассмотрение режимных переменных и формальных математических соотношений между режимными и выходными переменными в рамках синтезируемой структуры. Параметры моделей определялись с использованием статистических методов планирования эксперимента в условиях промышленной эксплуатации технологического оборудования. Выбор алгоритмов управления, оценка их эффективности проводилась путем имитационного моделирования функционирования автоматизированной системы управления на ЭВМ с использованием реальных данных, собранных в производственных условиях. Использован системный подход при синтезе АСУ технологической линии, основного технологического оборудования, автоматизированных рабочих мест технолога и оператора стекольного производства.
Научная новизна
-
Получены теоретические результаты в новом для стекольного производства направлении, связанные с использованием математических методов, моделирования и ЭВМ при проведении научных исследований и проектировании автоматизированных систем управления технологическими процессами в производстве листового стекла.
-
Предложен системный подход при проектировании АСУТП производства листового стекла.
-
Построены математические модели технологического процесса, протекающего в основном технологическом оборудовании при производстве листового стекла, позволяющие решать задачи управления процессом и в це-
-5-лом технологической линией производства стекла.
4. Исследованы различные способы управления непрерывным технологическим процессом варки-выработки листового стекла: управление с технологической обратной связью и компенсационное управление. Показана эффективность использования методов математического программирования при решении задач компенсационного управления (планирования).
5. Предложена концепция и реализованы автоматизированные системы управления на основе распределенных структур с использованием микропроцессорных средств автоматики, цифровых вычислительных машин и локальных управляющих сетей.
Практическое значение
-
По плану Отраслевой лаборатории Министерства промышленности строительных материалов РСФСР при Владимирском политехническом институте в 1977 году впервые в России разработана и внедрена АСУТП стекловарения на ванной печи ВВС N1 Гусевского стеклозавода Владимирской области.
-
Для стекольного завода "Великий Октябрь" Тверской области в 1990-91гг. выполнены в полном объеме работы по разработке и проектированию АСУТП стекловаренными печами ВВС.
-
Для ОАО "Борский стеклозавод" выполнен комплекс научных исследований по разработке математических моделей и алгоритмов управления АСУТП линии производства полированного стекла. В 1992 г. передана в промышленную эксплуатацию подсистема поддержки принятия решений "Технолог стекольного производства".
-
Предложена концепция построения распределенной АСУТП производства полированного стекла на базе локальных сетей, микропроцессорных средств автоматики и персональных ЭВМ с единой информационной базой данных. Предложенные идеи использованы в Техническом задании на АСУТП производства полированного стекла для ОАО "Борский стеклозавод".
-
В практику научных производственных объединений и проектных конструкторских бюро отрасли промышленности строительных материалов внедрены математические модели, алгоритмы управления, профаммные средства и структуры распределенных АСУТП основного технологического оборудования и в целом технологического процесса производства листового стекла.
6. Внедрены в практику предпроектных работ комплекс методов и программ, реализующие вычислительный эксперимент в ускоренном масштабе времени, для исследования и оценки эффективности алгоритмов управления основного оборудования и участка варки-выработки листового стекла. Предложенные методы и пакеты программ внедрены в научную исследовательскую работу НИСа Владимирского государственного университета. Два алгоритма включены в Государственный и Отраслевой фонды алгоритмов и программ.
7.Четыре технических устройства АСУТП стекловарения, а также способ автоматического управления режимом студки ванной стекловаренной пени защищены авторскими свидетельствами на изобретения и внедрены на Гу-севском стекольном заводе. Изобретения демонстрировались на тематической выставке "Изобретатели высшей школы-народному хозяйству" в 1979 г. Авторы изобретения награждены медалями ВДНХ СССР.
8. Суммарный экономический эффект внедренных работ составил более одного миллиона рублей в ценах 1990 г.
На защиту выносятся следующие положения:
\. Совокупность методов и программных средств автоматизации управления комплексом взаимосвязанных технологических операций при производстве листового стекла флоат-способом, а также способом ВВС;
-
Комплекс методов, алгоритмов и программ оптимального управления процессом стекловарения в ванных регенеративных печах на основе технических и экономических критериев с использованием математических моделей;
-
Методика и математическое обеспечение применения вычислительного эксперимента на предпроектных стадиях создания АСУТП для обоснования и оценки эффективности алгоритмов управления с использованием накопленной технологической информации в условиях ручного ведения процесса производства листового стекла;
-
Методика применения статистических методов и теории планирования эксперимента для математического описания режимных переменных основного технологического оборудования и показателей качества вырабатываемого листового стекла с целью использования разрабатываемых моделей для стабилизации физических свойств готовой продукции;
-
Концепция применения распределенных микропроцессорных систем управления на базе использования локальных сетей и ПЭВМ для проектирования АСУТП основного технологического оборудования участка варки-выработки и в целом процесса производства листового стекла;
6. Практические результаты внедрения разработанных математических моделей, алгоритмов управления и структурных схем в АСУТП стекольных производств.
Таким образом, в виде совокупности названных положений выносятся на защиту научно - технические результаты, вносящие вклад в дальнейшее развитие теории и практики управления сложными технологическими процессами непрерывных производств, каким является производство листового стекла.
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 63 научных работах, в их числе одно учебное пособие, 7 авторских свидетельств на изобретения, 41 статья, опубликованные в общегосударственных и отраслевых изданиях, 10 статей , переведенные на английский язык и изданные в США "Plenum publishing corporation", два программных документа , депонированные в Государственном и Отраслевом фондах алгоритмов и программ, а также 12 отчетов о НИР.
Апробация работы
Основные научные результаты по мере их формирования представлены и одобрены на всесоюзных конференциях "Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУТП" (Москва, 1981, 1984, 1987 гг.); Всесоюзной научной конференции "Теория адаптивных систем и ее применения" (Ленинград, 1983 г.); Всесоюзной конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования" (Тамбов, 1989 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов" (Новосибирск, 1991 г.); отраслевой научно-технической конференции "Автоматизация процессов производства строительных стекломатериалов" (Киев, 1986 г.); отраслевых семинарах "Автоматизация в строительной промышленности" (Киев, 1990г.); школе - семинаре по проблемам управления качеством продукции (Москва, 1983 г.); Всесоюзном семинаре "Тегшо-массоперенос при росте кристаллов" (Москва, 1985г.); Всесоюзном совещании - семинаре молодых ученых и специалистов "Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных машин и микроЭВМ " (Воронеж, 1989 г.); на Владимирских областных конференциях "Повышение эффективности работы электротехнических устройств и систем" (1983 г.), "Применение вычислительной техники и микропроцессоров в автоматизации производства предприятий энергетики, маши-
-8-ностроительной и радиотехнической промышленности" (1985 г.); на техническом совете ПКБ Государственного института стекла (Москва, 1987 г.); научно-технических конференциях Владимирского политехнического института (ежегодно с 1979 по 1990 гг.); научных конференциях Владимирского государственного технического университета (ежегодное 1993 г.).
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит ^б машинописных страниц текста, включая Зъ рисунков и J% таблиц. Список литературы содержит 216 наименований. Приложение содержит 39- страниц и материалы, подтверждающие внедрение результатов. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения.