Содержание к диссертации
Введение
1 Комплексная автоматизация доменной печи 16
1.1. Реально-виртуальные структуры 17
1.2 Методика стратифицированного моделирования разнородных процессов 20
1.3 Автоматизация контроля теплового состояния доменной печи 22
1.4 Анализ программных систем исследования и автоматизации 24
1.5 Выводы 28
2 Анализ и построение методик комплексного моделирования 29
2.1 Реально-виртуальные структуры 29
2.1.1. Применение реально-виртуальных структур для исследования и автоматизации доменной печи 30
2.1.2. Принципы построения реально-виртуальных структур 35
2.2. Анализ методики стратифицированного моделирования разнородных процессов 41
2.2.1 Классификация и особенности уровней моделирования 41
2.2.2 Проблемные стороны реализации методики стратифицированного моделирования разнородных процессов 45
2.3 Построение модели исследуемого объекта 47
2.4 Выводы 51
3 Комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов 52
3.1. Принципы построения комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов 54
3.2 Анализ структуры комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов 57
3.3 Построение модели исследуемого объекта 62
3.3.1. Организация компонентов 62
3.3.2 Применение узлов для создания топологии схемы модели 70
3.3.3 Механизм передачи данных в схеме исследуемой модели 73
3.4 Организация библиотеки компонентов 74
3.5 Менеджер схемы модели 76
3.5.1 Доменная структура модели исследуемой системы 78
3.6 Организация моделирующего ядра 81
3.7 Язык описания модели 84
3.8 Интерпретация языковых конструкций 89
3.9 Редактор формального представления модели 92
3.10. Программная организация комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов 94
3.11 Выводы 96
4 Применение комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов 98
4.1. Система сбора, хранения и отображения информации доменной печи Кузнецкого металлургического комбината 98
4.2 Исследование требуемой минимальной пропускной способности информационного канала для организации базы данных технологической информации доменной печи 107
4.3 Моделирование автоматизированного процесса обучения обслуживающего персонала доменной печи 113
4.4 Выводы 124
Заключение 125
- Автоматизация контроля теплового состояния доменной печи
- Классификация и особенности уровней моделирования
- Принципы построения комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов
- Система сбора, хранения и отображения информации доменной печи Кузнецкого металлургического комбината
Введение к работе
Высокая оснащенность современных доменных печей средствами автоматизации требует разработки специализированного программного обеспечения,. Опыт работ специалистов в данной области показывает [1], что уровень автоматизации конкретной доменной печи (ДП) определяется не числом реализованных систем, а их функциональным содержанием и системы автоматизации ДП должны иметь в своем составе набор элементов, позволяющих выполнять автоматизацию доменного процесса в целом. Задача автоматизации печи состоит в разработке комплекса мероприятий, направленных на повышение технико-экономических показателей производства чугуна путем рационального построения и организации взаимодействия систем автоматического контроля и управления со структурными элементами технологического комплекса печи [1]. Таким образом, программные и аппаратные средства автоматизации доменного процесса должны иметь в своем составе набор элементов, позволяющих выполнять автоматизацию того или иного этапа доменного производства [2].
По сравнению с капитальными вложениями в доменное производство» определяемыми большими его масштабами, вложения на оборудование доменного цеха системой автоматизированного контроля очень незначительны, но в тоже время дают возможность даже при небольшом улучшении доменного процесса получить существенный экономический эффект, окупающий расходы по созданию системы [3], При этом обстоятельства требуют, чтобы на каждой доменной печи был определен свой эталон высокопроизводительной и экономичной работы [4].
Рассматриваемый в данной работе объект - доменная печь №5 Кузнецкого металлургического комбината - относится к числу сложных систем и определяется следующими особенностями [3]:
исключительно большие размеры печи как технической системы;
случайный характер процессов и статистическая природа связей между сигналами;
«большая память» системы;
нелинейность связей между входными и выходными сигналами;
большое число неконтролируемых возмущающих воздействий.
Одной из наиболее существенных характеристик доменного производства является специализация по отдельным технологическим подсистемам и сопутствующая ей координация работ [1]. Поэтому наиболее естественным подходом к декомпозиции системы управления доменным процессом является разделение по основным структурным элементам, составляющим технологический комплекс доменной печи. Для реализации заданных функций подсистем необходимы системы локального контроля и управления, т.е. каждый структурный элемент должен находиться в определенном иерархическом уровне. В данной работе рассматривается автоматизация одного элемента технологического ком-плекса ДП - теплового состояния (ТС). Важность данной задачи обуславливается, прежде всего, следующими двумя причинами.
Во-первых, тепловое состояние доменной печи является одним из основных факторов, оказывающих существенное влияние практически на все технико-экономические показатели доменного производства чугуна. Во-вторых, не менее существенное влияние тепловое состояние горна и других частей доменной печи оказывает и на производственную, социальную и экологическую безопасность эксплуатации доменной печи, а также на длительность межремонтных периодов. Особенно важно с этой точки зрения является задача контроля теплового состояния горна доменной печи и его разгара.
В настоящее время активно внедряются средства автоматизации различных подсистем ДП. Так в Донбасском горно-металлургическом институте (научный руководитель доцент А-М. Новохатский) разработана система контроля уровня жидких продуктов плавки и теплового состояния горна доменной печи. В НПО "Доникс" разработана и внедрена на ОАО АМК автоматизированная система теплового состояния воздушных фурм (АСКоС). Разработан ряд систем автоматического контроля ТС горновых холодильников и прогара фурм доменной печи. Решение задачи автоматизации и контроля ТС ДП также не осталось без внимания. Был рассмотрен ряд моделей доменного процесса, но наи-
более значимой (и, фактически единственной) разработкой последних 10 лет является способ замкнутого регулирования теплового состояния доменной печи ("Способ ЗРТС"), разработанный институтом металлургии УрО РАН (г. Екатеринбург) для ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат"( 1993-1999г.г.). В нем реализован вероятностно-функциональный способ регулирования ТС ДП, основанный на контроле рассогласования между количеством генерируемой в печи теплоты и ее расходом и на непрерывном изменении регулирующего дутьевого параметра в соответствии со знаком рассогласования. Таким образом, можно говорить об актуальности работ по созданию системы контроля и управления ТС ДП,
Согласно ЮЛ. Волкову, оценить тепловое состояние ДП можно по внешним (физический нагрев, химический состав чугуна и шлака) и внутренним (распределение газового потока, плавность скорости схода шихты, степень использования СО, Н2 и т.п.) признакам, С другой стороны, согласно МЛ. Кли-мовицкому и А.П- Копеловичу, тепловое состояние горна можно оценить по температуре фурменных зон.
Существует толысо_два способа управления ТС: "сверху" (через систему загрузки, путем распределение^Ъпихтовых материалов в горне) и "снизу" (через систему дутья, управляя газовым потоком). Первоочередной и важнейшей задачей управления технологическими процессами плавки чугуна в ДП является обеспечение ее ровного хода - состояния, которому присущи следующие особенности:
Распределение скорости схода шихты в любом горизонтальном сечении доменной печи с течением времени не изменяется.
Распределение шихтовых материалов и газового потока по горизонтальным сечениям доменной печи не изменяются во времени, при этом использование химической и тепловой энергии газового потока является максимальным, а расход кокса и вынос колошниковой пыли имеют минимальные для данных условий плавки значения.
Тепловое состояние ДП является стационарным и обеспечивает получе*
ниє чугуна с заданными физико-химическими свойствами,
4. Толщина гарниссажного покрытия внутренней стенки ДП во всех ее точках имеет такие значения» которые обеспечивают постоянство рабочего профиля печи и его сохранность при эксплуатации.
Названные особенности характеризуют работу различных систем ДП для обеспечения ее ровного хода. Поэтому для решения задачи прогнозирования поведения ДП и контроля ее теплового состояния требуется проводить комплексное моделирование, так как от достоверности результатов моделирования зависит корректность работ по созданию автоматизированной системы управления (АСУ), в том числе и для контроля теплового состояния ДП,
Второй задачей внедряемых средств автоматизации ДП является задача обучения технического'персонала или повышение его квалификации. Данная задача не утрачивает своей актуальности, так как до сих пор не возможно выполнить полную автоматизацию ДП в виду сложности данного объекта, большой его инерционности, стохастического характера протекающих в ДП процессов, нелинейностью связей между входными и выходными параметрами и др.
Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором, сотрудниками кафедр ТОЭ, КСУП и ПМиИ ТУСУРа, а также при содействии метрологического отдела Кузнецкого металлургического комбината и 13го отдела НИИ АЭМ. Теоретические и практические результаты, изложенные в работе, в основном получены автором.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Рассматривается задача комплексного моделирования и автоматизации контроля ТС ДП, в которой выделяются две подзадачи: разработка и применение методик стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур.
Суть решаемых задач заключается в расширении возможности исследования такого сложного технического объекта как доменная печь в рамках единого эксперимента, учитывая взаимовлияния подсистем, представленных как абстрактными моделями, так и реальными (физическими или натурными)-
Потребность в разработке названных методик обусловлена большой сложностью ДП и алгоритмом оценки ее ТС, отсутствием способов всестороннего их анализа. Требуется построить методики стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур, выработать основные их положения, рассмотреть особенности использования в условиях ДП для практической реализации комплексного моделирования и автоматизации.
Цель работы. Разработать методики стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур для комплексного исследования и автоматизации контроля теплового состояния доменной печи и, на основе разработанных методик, создать комплекс программ.
Объект исследования. Алгоритмы комплексного моделирования для автоматизации контроля теплового состояния доменной печи-
Задачи исследования:
Сформулировать основные принципы построения методики стратифицированного моделирования разнородных процессов для комплексного изучения теплового состояния доменной печи.
Определить принципы построения реально-виртуальных структур для обеспечения совместимости и интеграции моделей подсистем доменной печи в единую модель.
Разработать алгоритмы автоматизации контроля теплового состояния доменной печи, на основе предложенных методик.
4. Создать комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов (СМРП).
Теоретические основы выполнения работы. Реализация поставленных задач осуществляется с использованием системного подхода, на основе применяемых в настоящее время наиболее эффективных программных средств (CASE-технологий, средств визуального программирования и т.д.) и на основе теории сложных систем (М. Месарович, BJL Авдеев, Б.С Флейшман, .HJL Бусленко, И.Н. Коваленко, ИЗ. Максимей, А.А. Вавилов, О-И. Авен, В.М. Дмитриев и др.).
Научная новизна:
К Методика стратифицированного моделирования разнородных процессов для контроля и управления тепловым состоянием ДП, опробованная в ОАО "Кузнецкий металлургический комбинат".
Новая методика и алгоритмы построения реально-виртуальных структур, примененные на доменной печи и позволяющие охватить для моделирования абстрактные и реальные модели подсистем.
Впервые разработан комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, на базе предложенных методик, и алгоритмов.
Практическая ценность. Предложенные методики и алгоритмы развивают теорию моделирования,- позволяют выполнить комплексное исследование и автоматизацию контроля теплового состояния доменной печи, увеличивая адекватность моделей реальным подсистемам- Использование реально-виртуальных структур позволяет снизить затраты времени и средств на создание адекватных моделей, обеспечивает совместимость подсистем, а совместно со стратифицированным моделированием разнородных процессов, позволяет расширить класс объектов моделирования, повысить уровень автоматизации ДП. Разработанный комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, позволяет практически использовать предложенные методики для решения широкого круга задач для ДП.
Защищаемые положения:
L Методика и алгоритмы стратифицированного моделирования разнородных процессов, позволяющие комплексно представить модели теплового состояния доменной печи на трех уровнях: алгоритмическом, математическом и комбинационном.
Методика и алгоритмы построения реально-виртуальных структур для решения задач совместимости и интеграции моделей объекта управления (ОУ) и системы управления (СУ) ДП, позволяющие исследовать ее подсистемы, представленные совокупностью абстрактных и реальных моделей,
Комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, реализующий предложенные методики моделирования, в форме законченного программного продукта.
Реализация результатов. Результаты исследований, доведенные до инженерного уровня реализации методик и алгоритмов внедрены в ОАО "Кузнецкий металлургический комбинат*'» на кафедре теоретических основ электротехники (ТОЭ) ТУСУР и в НИИ Автоматики и электромеханики при ТУСУР.
Апробация работы и публикации. Основные теоретические результаты, а также результаты прикладных исследований и разработок, докладывались и получили одобрение на международных и региональных конференциях, публиковались в сборниках трудов и в центральной печати: 7 статей (в том числе 4 в центральной печати: журнал "Приборы и Системы: Управление, Контроль, Диагностика"), 6 тезисов докладов (в том числе один на международной конференции: Международная НТК "Измерение, Контроль, Информатизация — 2001", Барнаул), На предложенные методики, разработанные алгоритмы и программные модули получено четыре свидетельства об отраслевой регистрации разработок.
Достоверность полученных результатов обеспечивается исходными теоретическими, методологическими и практическими данными исследований, апробацией результатов, эмпирическим исследованием функционирования разработанного комплекса программ.
Личный вклад автора. Постановка задач исследования (совместно с руководителем), разработка концептуальных положений предложенных методик комплексного исследования и автоматизации управления ТС ДПЭ проведение обзорных и теоретических исследований, доведение разработок до инженерных решений, конкретных алгоритмов, комплекса программ СМРП, проведение экспериментальных исследований, интерпретация полученных результатов.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 16 приложений и содержит 134 страницы основного текста, 63 рисунка, 100 использованных источников.
В первой главе показана актуальность создания методик стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур для комплексного исследования и автоматизации управления ТС ДП» выделены основные решаемые задачи, описываются новизна, теоретическая и практическая значимость работы.
Вторая глава посвящена анализу предложенных методик и алгоритмов комплексного моделирования, сформулированы требования, предъявляемые к ним. На основе изложенных требований выработаны принципы организации реально-виртуальных структур моделей и комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов.
В третьей главе рассмотрено создание комплекса программ моделирования информационных потоков и алгоритмов, положенных в его основу, способы организации взаимодействия КМИП со средой моделирования МАРС для организации комплекса программ СМРП.
В четвертой главе представлены результаты внедрения разработанного комплекса программ СМРП на следующих примерах: система сбора, хранения и отображения технологической информации доменной печи Кузнецкого металлургического комбината, оформленная в виде информационно-справочной системы мастера доменной печи; эмулятор Е-сетей, применительно к исследованию минимальной требуемой пропускной способности информационного канала ДП для повышения уровня ее автоматизации; моделирование автоматизи-
рованного процесса обучения для комплексного контроля качества обучения персонала ДП на примере лабораторий-тренажеров,
В заключении сформулированы основные научные и практические результаты исследований, обозначена перспектива дальнейших исследований,
В диссертационной работе принята двухзначная нумерация формул» рисунков и таблиц отдельно к каждой главе: первая цифра указывает номер главы, вторая - порядковый номер в параграфе.
Автоматизация контроля теплового состояния доменной печи
Для исследования работы данных систем можно построить модель, в которой будут учтены все выполняемые функции (модель СУ): подъем скипа, его перенос в указанное место, засыпка содержимого в печь и т.п. В качестве данных выступают пространственные координаты положения, команды управления и другие данные информационного плана, обрабатываемые некоторыми алгоритмами. В связи с этим, предложено выделить алгоритмический уровень , для исследования моделей подобного рода. Моделирование на данном уровне может быть выполнено с помощью MathLab[33], GPSS Word[41], Rational-Rose ], ЦМЦ43], Simulink[44] и др.
С другой стороны, для исследования процессов, протекающих в приводящих двигателях, и изучения моментов инерции, требуется построение совершенно иной модели (модели ОУ), элементы которой описываются математическим способом (ряды, дифференциальные уравнения и др.). Данный уровень назовем математическим уровнем-, т.к. на нем рассматриваются энергетические потоки между составляющими компонентами- Моделирование на данном уровне производится с помощью таких систем моделирования, как Modelica, Workbench, МАРС[63,64] и др.
Таким образом, для построения наиболее адекватных моделей подсистем ДП следует выполнять комплексное моделирование, как на алгоритмическом уровне, так и на математическом. Энергетические соотношения для ряда типичных измерительных устройств впервые были проанализированы в работе Мильштейна [36]. Представленные в этом примере уровни полностью подчиняются теории стратификации. Однако возможность частичного включения в модель алгоритмического уровня модели математического уровня (например, для исследования взаимодействия СУ и ОУ в случае, когда ОУ имеет собственную подсистему управления) позволит качественно по иному исследовать системы. Поэтому предложено ввести дополнительный уровень, который назовем комбинационным уровнем. При моделировании на этом уровне следует вводить некоторые согласующие элементы, позволяющие корректно преобразовывать информацию в физический сигнал и обратно. Таким образом, предложено увязать по иерархическим уровням системы управления и выполнить их интеграцию в единую модель для решения задач по автоматизации ДП. Если при моделировании систему представлять предложенными здесь уровнями, то ее исследование будет выполняться комплексно. Такой подход было предложено назвать стратифицированным моделированием разнородных процессов.
Основным проблемным моментом данной методики является задача отыскания моделей выделенных уровней, которую рассмотрим далее в этой работе,
Тепловое состояние доменной печи является одним их наиболее "тонких" мест доменного производства, так как от него зависит не только качество выпускаемого чугуна» но и сохранность самой доменной печи (срок ее службы). Поэтому система автоматизации контроля ТС ДП должна включать в себя: непосредственно подсистему контроля ТС ДП с выводом технологической информации мастеру печи; подсистему прогнозирования ТС ДП с выходом на технологическую инструкцию; функции обучения персонала. Данные функции можно реализовать, используя предложенные методики комплексного моделирования и данные об аппаратной организации подсистем автоматизации ДП. На рисунке 1-6 показана структурная схема системы автоматизации контроля ТС ДП, соответствующая аппаратной организации оборудования на ДП №5 КМК (см, рис, 1,3). В рамках автоматизации контроля ТС Автоматизированный учебный процесс Рабочие станции І- f) создать подсистему отображения технологической информации; g) разработать тренажер для обучения персонала ДП. Таким образом, для создания системы автоматизации контроля ТС ДП следует разработать соответствующие модели решающие поставленные задачи. Однако комплексная автоматизация ДП предполагает использование единого инструментария, т.е. следует разработать некоторое средство, автоматизирующее процесс создания моделей для различных задач и подсистем на ДП, будь то обучение персонала, система прогнозирования и т.д. Обычно средства подобного рода называют имитаторами или системами имитационного моделирования. 1.4 Анализ программных систем исследования и автоматизации Для исследования эффективности организации АСУ, автоматизации научных исследований и производств, используются специальные программные средства, в функции которых входят: L Создание и коррекция модели определенного типа, 2. Организация процесса моделирования и управление этим процессом. 3. Возможность исследования созданной модели. Программные средства такого рода называются системами имитационного моделирования или имитаторами [7, 39]. Под имитационной системой понимают программный или аппаратно-программный комплекс, предназначенный для решения задач с использованием метода имитационного моделирования [40]-Имитационная система реализует алгоритм решения задачи и предоставляет пользователю сервисные возможности по управлению вычислительным процессом. Автоматизированная поддержка других этапов системного анализа средствами имитационной системы не является обязательной [18, 20, 40]. Характерной особенностью применяемого сейчас на практике программного обеспечения имитационного моделирования является высокая универсальность программных средств Выделяют проблемно-ориентированные и универсальные системы имитации [40]. Главное отличие между универсальными и проблемно ориентированными системами имитационного моделирования заключается в способах формализации, используемых при разработке машинных имитационных систем [7, 39, 40]_ Для универсальных систем характерным является использование принципиально конечного множества элементарных моделирующих модулей- Банк моделирующих элементов проблемно-ориентированных систем имитационного моделирования, в отличие от банка универсальных систем имитации, является открытым, т.е. свободно сокращаемым и расширяемым для отдельных пользователей.
Классификация и особенности уровней моделирования
Предпосылками к разработке методики СМРП можно не без основания назвать исследования в области моделирования сложных технических систем Р. Шеннона, В.М. Дмитриева, А.В. Шутенкова, Е.А. Арайса и др [14, 31, 32, 63, 64]. Идея рассмотрения разных типов взаимодействия возникла на базе принципа стратификации. Отсутствие возможности комплексного исследования ТС ДП, т.е. разных типов взаимодействий в них с помощью принципа стратификации, послужило отправной точкой начала работ в данном направлении.
Построение моделей разных уровней в системе СМРП основано на результатах научных исследований Н.П. Бусленко, В.Н. Бусленко, И.В. Максимея и других [3, 8,9]. Кроме того, предложенный подход базируется на результатах исследований в области системного анализа Ф.И. Перегудова, Ф.П. Тарасенко и др. [30].
Как было показано ранее, в методике СМРП выделены алгоритмический, математический и комбинационный уровни. Для моделирования и автоматизации ТС ДП рассмотрим процессы, протекающие на выделенных уровнях и их особенности. Общей чертой моделей исходной системы на каждом из уровней является использование компонентного подхода к созданию структуры модели, однако типы взаимодействий между компонентами разных уровней не одинаковы. На алгоритмическом уровне происходит обмен потоками информации, а на математическом определяются аналитические зависимости между компонентами модели. Под моделью компонента в дальнейшем будем понимать некоторую алгоритмическую последовательность действий или математическую функцию, позволяющую преобразовать входные данные в выходные. При этом выходные данные должны однозначно определяться через входные данные. Информационные потоки в модели представлены фрагментами данных, которыми в заданные моменты времени обмениваются компоненты. Для моделирования взаимодействий такого типа наиболее предпочтительны имитационные алгоритмы моделирования, Е-сети[73] и т.п., в силу своих особенностей позволяющих имитировать протекающие в системе процессы во времени. В качестве примера информационного уровня можно привести систему прогнозирования состояния доменной печи, представленную на рисунке 2.5. Компонентами схемы являются блоки преобразования входных данных и алгоритмы принятия решений. Для информационных потоков в данном случае характерны следующие особенности: 1. Поток может разделяться на несколько потоков (данные обрабатываются разными методами анализа). 2. Несколько потоков могут объединяться в один (результаты анализа разных методов поступают в модуль выбора решения). Информационные взаимодействия такого типа удобнее всего моделировать имитационными алгоритмами, реализованными в вычислительном ядре. Для математического моделирования используются аналитические и численные методы. Взаимодействия данного типа имеют специфический характер и для их моделирования имитационные методы не приемлемы. В качестве при мера рассмотрим задачу моделирования электрической схемы, представленной на рисунке 2.6. Для решения такой задачи невозможно использовать имитационные алгоритмы, однако, в данном случае решение можно получить с помощью дифференциальных уравнений на основе законов Ома и Кирхгофа [74, 75]. В данном случае соединения между компонентами позволяют сформировать аналитическую модель исходной системы. Процесс моделирования при этом сводится к решению системы этих дифференциальных уравнений тем или иным способом. Последним уровнем в методике СМРП, представляющим наибольший интерес, является комбинационный уровень. Его особенность заключается в наличии как математических, так и алгоритмических взаимодействий, т.е. имеется возможность использования компонентов энергетического и информационного уровней для создания схемы исследуемого объекта. Данный уровень нужен, когда для исследования сложной системы недостаточно или невозможно рассмотреть модель только информационные или только энергетические взаимодействия. Либо в случае, когда создание полной модели математического уровня связано с большими затратами ресурсов.
Для примера моделирования на данном уровне рассмотрим задачу обучения технического персонала ДП. В общем случае, данная задача подразделяется на две подзадачи: моделирование учебного процесса (регистрация обучаемого, изучение им методического материала и т.д.) и не посредственная работа с моделью заданной системы (или подсистемы) ДП. Модель процесса автоматизированного процесса обучения персонала можно отобразить схемой, представленной на рисунке 2.7. Как видно из этого рисунка, используются информационная и математическая составляющие, позволяющие реализовать в одной модели ДП подсистемы разного типа: математическую модель заданного процесса ДП и информационную модель процесса обучения. Здесь встает вопрос корректного сопряжения компонентов моделей разных уровней, то есть организация передачи данных между ними. Один из вариантов решения данной задачи - использование функций преобразования данных в узлах схемы модели, оформленных в виде согласующих элементов Nj и N2 (см. рис. 2.7).
Представленные примеры показывают тождественность отношений между уровнями методики стратифицированного моделирования разнородных процессов и отношений, сформулированных Флейшманом[13]. То есть, при переходе на следующий уровень, сокращается объем описания, увеличивается количество состояний, параметров, связей и имен. Переход на предыдущий уровень характеризуется обратными изменениями. При этом, имеют место такие качества, как надежность, помехоустойчивость, обратные связи и качество уменьшения объема информации.
Принципы построения комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов
Анализируя особенности исследования сложных технических систем с помощью предложенных методик комплексного моделирования, можно сформулировать требования, предъявляемые к проектируемому комплексу программ СМРП. В число этих требований входят: 1. Наглядность в работе с набором компонентов и при создании схемы модели, структурированность хранимой информации, гибкость ее отображения. 2. Модульный подход к построению комплекса программ СМРП со строго определенными интерфейсами межмодульного взаимодействия: такой подход позволяет разграничить функции всей системы; их реализация выделяет некоторое количество модулей, что позволяет обновлять версии как всей системы в целом, так и отдельных ее модулей. 3. Комплекс программ СМРП для пользователя представлен единым инструментом, т.е. модульная структура скрыта от пользователя. 4. Скорость работы и экономия ресурсов операционной системы. 5. Единообразие способов ввода моделей разных уровней: так как для создания моделей разных уровней используется единый пользовательский интерфейс, то способы организации моделей разных уровней должны совпадать. 6. Корректная работа с моделями разных уровней: система должна не просто создавать схему модели, но и исполнять процесс моделирования для любого уровня, что должно выполняться и для случая, когда в схеме модели используются компоненты разных уровней. 7. Возможность одновременного использования всех уровней для ввода модели и ее исследования: для комплексного анализа и исследования поведения исходной системы следует реализовать возможность одновременного (или параллельного) моделирования на всех уровнях. 8.. Единообразные механизмы получения параметров компонентов: так как каждый компонент обладает заданным набором интерактивных параметров, то следует реализовать механизм их получения и изменения в процессе моделирования. 9. Единообразные механизмы расширения стандартных возможностей: для того, чтобы в дальнейшем иметь возможность расширять функции компонентов, следует включить соответствующие механизмы в структуру компонентов. На основе изложенных требований выделим принципы, положенные в основу комплекса программ. В зависимости от назначения эти принципы можно разделить на три группы, как показано на рисунке 3.1. Принципы построения моделей первой группы определяют правила их создания, хранения компонентов, особенности предоставления информации о компонентах пользователю. В данном классе выделены следующие принципы: 1. Упорядоченность хранения: компоненты группируются по разделам для удобства работы с ними и наглядного представления их списка пользователю. Наличие возможности регистрации компонента в том или ином разделе, в соответствии с желаниями пользователя. 2. Единообразие ввода моделей: для построения моделей разных уровней компоненты должны иметь одинаковые механизмы создания, соединения и способы обмена значениями параметров и данных для обеспечения функционирования системы, как единого целого продукта. 3. Открытость: если при создании компонента разработчик желает реализовать какие-то специфические дополнительные возможности, исходные (или базовые) компоненты должны иметь возможность поддерживать такую моди фикацию. Использование данного принципа позволит выполнять более эффективные исследования за счет включения дополнительных возможностей в компоненты. Вторая группа принципов связана с организацией межуровневого взаимодействия и определяет основные положения обмена данными как между компонентами одного уровня, так и межуровневого обмена. В число принципов этого класса входят: 1. Доступность: позволяет пользователю создавать модели исходной системы на разных уровнях методики СМРП посредством одинаковых механизмов и правил. В соответствии с этим принципом пользователь в любой момент может изменять схему любого уровня, и механизмы редактирования при этом не меняются. 2. Синхронность: моделирование может выполняться сразу на нескольких уровнях, при этом модели должны адекватно отрабатывать входные и управляющие воздействия и передавать между собой данные (если это требуется). 3. Непрозрачность: независимо от того, на скольких уровнях выполняется моделирование исходной системы, для пользователя это исследование одного и того же объекта. Поэтому все промежуточные вычисления, взаимодействия и переходы должны быть скрыты от пользователя, чтобы он мог сосредоточить внимание на решении поставленной задачи. В рамках принципов организации комплекса программ определены основные положения и подходы к разработке его структуры и организации внутренних взаимодействий. Здесь выделяются следующие принципы: 1. Наглядность: в соответствии с этим принципом список компонентов, упорядоченный по тем или иным признакам, а так же схема модели, с которой пользователь работает в данный момент, должны представляться пользователю в удобном виде. Эти данные должны сопровождаться пояснениями и подсказками, а также элементы должны быть удобно размещены на экране. 2. Модульность: в. соответствии с этим принципом весь комплекс программ подразделяется на модули. Между модулями существуют строгие связи и определенные способы передачи данных, в том числе предусматривается возможность организации взаимодействий типа "клиент-сервер"[50, 51, 62, 76], в соответствии с современными требованиями к программному обеспечению. 3. Оптимальность использования ресурсов: сложность взаимодействий в комплексе программ предъявляет определенные требования к аппаратному обеспечению. Для того, чтобы система была доступна пользователю, в ней должны сочетаться требования к аппаратным ресурсам, производительности и функциональным возможностям. 4. Функциональная полнота: независимо от того, на какое количество модулей разбивается система по функциональному признаку, использование всех функций должно осуществляться посредством единого интерфейса пользователя.
Система сбора, хранения и отображения информации доменной печи Кузнецкого металлургического комбината
В предыдущих главах были предложены методики комплексного исследования и автоматизации контроля ТС ДП, выработаны принципы построения моделей. На базе сформулированных принципов создан комплекс программ СМРП.
Однако в технических науках любые теоретические предпосылки должны быть проверены на практике- Для проверки истинности предложенных методик следует разработать ряд моделей и на их примере либо подтвердить, либо опровергнуть эффективность их использования.В качестве примеров рассмотрим разнообразные задачи моделирования, решаемые в ходе хоздоговора № 13/99/Н2 с Кузнецким металлургическим комбинатом (КМК): 1) Система сбора, хранения и отображения технологической информации доменной печи Кузнецкого металлургического комбината, оформленная в виде информационно-справочной системы мастера доменной печи. 2) Эмулятор Е-сетей, применительно к исследованию минимальной требуемой пропускной способности информационного канала ДП для повышения уровня ее автоматизации. 3) Моделирование автоматизированного процесса обучения для комплекс-ного контроля качества обучения персонала ДП на примере лабораторий-тренажеров. 4.1 Система сбора, хранения и отображения информации доменной печи Кузнецкого металлургического комбината Одним из вариантов использования реально-виртуальных структур является задача анализа технических данных промышленного предприятия — автоматизация доменной печи №5 (ДП5) Кузнецкого металлургического комбината, решенная в ходе выполнения хоздоговора №13/99/Н2. Согласно техническому заданию, база данных доменной печи, должна обеспечивать решение следующих системных и прикладных задач: уменьшение объема и просмотр истории процесса контролируемых переменных, их расчетных признаков, результатов моделирования, анализа технологических ситуаций, технологических и аварийных отклонений; формирование отчетов по временным, системным и технологическим событиям; обмен данными со смежными и вышестоящими системами, включая рабочие станции системы технологического мониторинга печи, узлы цеховой информационной системы и начальника цеха; осуществлять связь с инженерными приложениями (расчеты технико-экономических показателей процесса, моделирование, анализ ситуаций и т.д.). При этом уменьшение объема информации осуществляется сетевым сервером, а БД должна иметь возможность пополнения набора данных в процессе эксплуатации, учитывая возможности расширения уровня автоматизации или совершенствования производства выпускаемо! продукции. Структура организации передачи данных ДП5 представлена на рисунке 4.1. Все данные, можно разделить на следующие две большие группы: 1. Исходные данные получаемые автоматизировано с ДП. 2. Расчетные данные - получаемые во время работы системы моделирования, экспертной системы, после генерации отчетом и т.п. Исходные данные в свою очередь подразделяются по временным признакам, т.е. разделяют на ряд уровней по времени. Расчетные данные делятся на две подгруппы: отчетные (образованные в результате создания отчетов) и данные, получаемые во время работы системы моделирования, экспертной системы и т.п. Уменьшение объема хранимых данных организовано с помощью аппроксимации исходной информации полиномами. Реализация алгоритмов аппроксимации выполнялась Карелиным А., под руководством д/г.н,, профессора Светлакова А.А.(ТУСУР, каф. ИИТ) Структура БД, реализованная на ДП5 КМК изображена на рисунке 4.2. Для ведения БД используются. Таблица PARAM содержит описание всех данных, которые собираются с печи. Таблица TEMP предназначена для сбора и накопления данных, которые будут обработаны в дальнейшем. Две оставшиеся таблицы - DATA и KOEF - используются совместно и предназначены для хранения коэффициентов аппроксимирующих полиномов. На схеме показаны ключи, по которым таблицы связаны между собой. Физическая реализация выполнена на основе сервера баз данных InterBase, Программное обеспечение, ответственное за сбор данных, состоит из двух программно-независимых модулей: Модуль сбора информации с контроллеров - получает данные от RXLinx посредством механизма динамического обмена данными. первичных шмере сшстамы сбора, хранения и с. делены три сущ логической информации м технолога адская инструкция мастера доменного производства бьиш разработаны и практически опробованы в ходе выполнения хоздоговора № 13/99/Н2 с КМК, о чем свидетельствует акт от 02 )),,, 1011,3,,,2003 года (см. приложение 10), Блок фильтрации реализует ал-шри шЫз применяемые на КМК для определения досговерности получаемых В файле DP HDR.SMI определены псевдонимы для GUID компонентой доменной печи с помощью команды SET. Например, псевдоним DP_DMN определен модели, изображенной на рисунке 43, в редакторе формального представления модели вводится следующий код на тыке описання модели:
