Введение к работе
Актуальность работы. Анализ современного состояния предприятий химической, в том числе алюминиевой отрасли, показывает, что более 60% неблагоприятных производственных ситуаций приходится на «человеческий фактор». В связи с ужесточением требований к безопасности и увеличением сложности технологических процессов (ТП) растет интерес к внедрению современных систем обучения и переподготовки квалифицированного персонала. Причины использования компьютерных систем обучения и тренажерных комплексов заключаются в качественно иных возможностях, предоставляемых современными информационными технологиями, на базе которых они разрабатываются. Разнообразие и сложность ТП делают такие системы достаточно дорогими средствами обучения оперативно-технического персонала, в том числе на предприятиях алюминиевой промышленности, в которой количество систем для подготовки персонала невелико. С учетом того, что в настоящее время наибольший интерес представляют собой системы обучения, интегрируемые в проектируемые или функционирующие автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), очевидна потребность в разработке интегрированной системы для подготовки оперативно-технического персонала в производстве алюминия.
Для разработки интегрированной системы были изучены известные работы в области автоматизированных систем обучения и компьютерных тренажеров для подготовки производственного персонала таких авторитетных ученых как В.М. Дозорцев, Т.Б. Чистякова, Э.Л. Ицкович, B.C. Балакирев, СИ. Магид; в области математического моделирования и систем управления процессом получения алюминия - работы М.Я. Фитермана, Р.Г. Локшина, М.Я. Минциса, А.И. Беляева, Т.В. Пискажовой и других, в которых отмечена необходимость обучения производственного персонала с помощью современных программных средств.
Таким образом, разработка интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия является актуальной задачей инновационного развития, имеющей научную и практическую ценность. Существенное значение в повышении качества управления электролизерами производства алюминия имеет интеграция системы обучения и АСУТП, используемой на предприятии, поскольку обучаемый будет приобретать профессиональные умения и навыки управления с помощью приближенных к промышленным интерфейсов операторов, на которых он впоследствии будет работать. Опытный персонал в отсутствии нештатных ситуаций имеет возможность повышать свою квалификацию путем изучения причинно-следственных связей и закрепления навыков управления в различных режимах функционирования процесса электролиза производства алюминия.
Целью работы является разработка интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия, предназначенной для подготовки и повышения квалификации производственного персонала, принимающего решения по управлению,
и функционирующей автономно или в рамках единого информационного пространства предприятия.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
провести обзор современных систем компьютерного обучения, а также систем управления и систем обучения для подготовки квалифицированных специалистов, используемых на предприятиях алюминиевой отрасли, определить основные требования к разрабатываемой системе, обосновать перечень составляющих её компонентов;
изучить процесс получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава, определить особенности процесса как объекта исследования и управления, составить его формализованное описание. Разработать информационное обеспечение, включающее базу данных параметров технологического процесса и базу знаний, в которой систематизированы типовые нештатные ситуации, описывающие нарушения регламентного режима;
разработать функциональную структуру интегрированной системы обучения операторов;
разработать математическое обеспечение системы, включающее математическую модель процесса получения алюминия, алгоритмы решения уравнений математической модели и поиска значений управляющих воздействий. На основании экспериментальных данных провести проверку адекватности модели;
для повышения эффективности обучения разработать информационный справочник, трехмерные модели электролизеров, модуль тестирования знаний обучаемого;
разработать программное обеспечение интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия, позволяющее на базе приближенных к промышленным интерфейсов обучаемого проводить подготовку и повышение квалификации производственного персонала;
провести тестирование и внедрение интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза производства алюминия.
Научная новизна работы заключается в следующем:
синтезирована математическая модель электролитического процесса получения алюминия, описывающая влияние электрических характеристик и управляющих воздействий на выходные показатели процесса и позволяющая изучать причинно-следственные связи процесса и проводить исследования процесса;
разработана функциональная структура интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия, включающая функциональные модули, модули для обучения и интегрированное с АСУТП информационное обеспечение;
разработаны сценарии обучения для приобретения навыков управления процессом электролиза производства алюминия в штатных и нештатных ситуациях в режиме самостоятельного обучения и под руководством инструктора;
разработано алгоритмическое и программное обеспечение интегрированной системы
обучения операторов, позволяющее обучаемым получать знания об особенностях управления процессом, изучать устройство электролизеров по трехмерным моделям, проводить тестирование знаний и приобретать навыки эффективного управления процессом электролиза производства алюминия.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы системного анализа, математического моделирования, численного решения систем дифференциальных уравнений, проектирования баз данных, обработки экспериментальных данных, объектно-ориентированного программирования.
Практическая ценность работы. Разработано информационное, математическое, алгоритмическое и программное обеспечение интегрированной системы обучения операторов управлению процессом получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава. Интегрированная система внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию ОАО «СУАЛ» филиал «ВАЗ СУАЛ». Применение интегрированной системы позволяет повысить квалификацию персонала, принимающего решения по управлению процессом, что обеспечит повышение безопасности и эффективности производства алюминия. Также применение системы приведет к снижению финансовых и временных затрат на обучение производственного персонала.
Реализация результатов. Интегрированная система принята к внедрению в опытно-промышленную эксплуатацию, а также в учебный центр ОАО «СУАЛ» филиал «ВАЗ СУАЛ» для подготовки операторов ТП производства алюминия. Результаты работы внедрены в учебный и научно-исследовательский процессы кафедр систем автоматизированного проектирования и управления и технологии электрохимических производств Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), кафедры автоматизации производственных процессов Иркутского государственного технического университета, а также использовались при проведении практических занятий для подготовки студентов в рамках корпоративного университета «РУСАЛ-ВАМИ».
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и научно-технических конференциях: международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ (ММТТ-20, г. Ярославль, 2007 г.; ММТТ-21, г. Саратов, 2008 г.; ММТТ-22, г. Псков, 2009 г.; ММТТ-23, г. Смоленск, 2010 г.); научных конференциях «Автоматизация в промышленности» Института проблем управления РАН, г. Москва, 2007 г., 2008 г.; всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Электротермия-2008», г. Санкт-Петербург, 2008 г.; 33-й международный семинар «Автоматизация. Программно-технические средства. Системы. Применения» Института проблем управления РАН, г. Москва, 2009 г.; международной научной конференции «Математическое моделирование и информационные технологии», г. Одесса, 2009 г.; международной научно-
практической конференции «Передовые информационные технологии, средства и их внедрение на российских предприятиях» АГГА-2011, г. Москва, 2011 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ в Роспатенте; 3 статьи опубликованы в журналах из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ, одна из которых переведена на английский язык и опубликована в журнале «Automation and Remote Control».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, _4_ глав, заключения, списка литературы и _5_ приложений. Работа изложена на 162 страницах, содержит 50 рисунков и 15 таблиц. Список литературы включает 132 наименования.
