Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние развития систем управленияв черной металлургии 7
1.1. Особенности отдельного участка металлургического завода 9
1.2. Применение систем управления для участков, цехов, комплексов металлургических заводов... 14
1.3. Использование современных математических методов для создания систем управления в черной металлургиии 31
2. Постановка задачи оптимального управления отдельными участками металлургических заводов 43
2.1. Исследование участка металлургического завода методами математической статистики 45
2.2. Исследование участка металлургического завода с помощью имитационной модели 59
2.3. Построение математической модели отдельного участка металлургического завода 67
2.4. Постановка задачи оптимального управления отдельными участками металлургических заводов 74
3. Разработка алгоритма оптимального управления и планирования отдельными участками металлургических заводов 77
3.1. Методы решения задач оптимального управления отдельными участками металлургических заводов 77
3.2. Разработка человеко-машинного алгоритма оптимального управления участком цеха листо прокатного производства 93
4. Реализация задачи оптимального управления на примере отделочного отделения цеха холодной прокатки металлургического завода 109
4.1. Существующая система управления листопрокатным цехом №5.
4.2. Реализация человеко-машинного алгоритма оп тимального управления на примере отделочного отделения металлургического завода
Выводы 126
Список использованной литературы 128
Приложение . 140
- Применение систем управления для участков, цехов, комплексов металлургических заводов...
- Исследование участка металлургического завода с помощью имитационной модели
- Методы решения задач оптимального управления отдельными участками металлургических заводов
- Разработка человеко-машинного алгоритма оптимального управления участком цеха листо прокатного производства
Введение к работе
В последние годы возросло внимание к вопросам управления производством и научной организации труда. С особой силой на необходимость дальнейшего и непрерывного совершенствования планирования и управления народным хозяйством говорилось с высокой трибуны ХХУІ съезда КПСС. В отчетном докладе съезду отмечено: "Интенсификация экономики, повышение её эффективности, если переложить эту формулу на язык практических дел, состоит прежде всего в том, чтобы результаты производства росли быстрее, чем затраты на него, чтобы вовлекая в производство меньшие ресурсы, можно было добиться большего. Решению этой задачи должны быть подчинены планирование, научно-техническая и структурная политика. На эффективность должны работать и методы хозяйствования, политика в области управления".
В частности, касаясь развития черной и цветной металлургии, говориться: "Мы, конечно, будем вводить в действие новые металлургические мощности. Но для преодоления дефицита металла существует и другой путь - более умелое и полное использование того, что производится".
На съезде также отмечено, что одной из основных задач экономического и социального развития страны на І98І-І985 годы и на период до 1990 года является задача последовательного улучшения планирования, совершенствование методов управления. На съезде КПСС подчеркивалось, что совершенствование системы планирования и управления требует широкого применения экономико-математических методов, использования ЭВМ, микро-ЭВМ, робототехники, автоматизированных цехов и заводов.
Повышение качества управления не может быть осуществлено только за счет организационных мероприятий, направленных на совершенствование структуры управления. Эти мероприятия следует подкреплять широким использованием ЭВМ и созданием на их основе автоматизированных систем управления.
Как указано в [2] за 1966-1976 годы в нашей стране создано 3073 АСУ, в том числе 1049 АСУП, 919 АСУТП. Создание АСУ позволило, например, в машиностроении повысить производительность труда на предприятиях на 3-4%, снизить себестоимость на I рубль товарной продукции - 1,7 коп.; снизить нормируемые оборотные средства в расчете на I рубль товарной продукции -24 коп.; повысить прибыль - 4,7 коп.
Эти результаты достигнуты за счет:
- повышения точности экономических расчетов, их опретиавности;
- обоснованности рассчитываемых на ЭВМ планов;
- применения более совершенных методов выполнения управленческих работ;
- рационального распределения и перераспределения функций;
- уточнения и четкой регламентации прав, обязанностей и ответственности;
- совершенствования информационной системы предприятия.
Последние годы десятой пятилетки характеризуются резким
увеличением числа внедренных автоматизированных систем управления в промышленности.
Анализ этой таблицы показывает, что число обследованных систем за 2 года в машиностроении и металлообработке выросло на 26 единиц или 59%; число решаемых задач за это же время возросло на 8 единиц или 29%, годовой экономический эффект от внедрения АСУ на предприятиях машиностроения и металлообработки вырос на 164 тыс.рублей или 53%, срок окупаемости за эти годы не изменился.
В одиннадцатой пятилетке нашей стране предстоит сделать значительный шаг вперед по пути повышения эффективности народного хозяйства, его интенсификации. Курс на повышение эффективности народного хозяйства, его интенсификации требует луч -шего использования всех ресурсов. Для того, чтобы сделать экономику экономной, как потребовал ХХУІ съезд КПСС, необходимо значительно ускорить темпы обновления техники, внедрения новейших достижений науки в производство.
Разработка и внедрение автоматизированных систем управления на базе использования ЭВМ и экономико-математических методов - одно из основных направлений повышения эффективности управления производством.
В настоящее время этому направлению уделяется огромное внимание со стороны партии и правительства, всего советского народа. Свидетельство тому - огромные средства, выделяемые на разработку и внедрение автоматизированных систем управления промышленными предприятиями, технологическими процессами, отдельными участками и агрегатами. В последние годы в стране создается и внедряется немало АСУ различных уровней.
По данным ЦСУ СССР в 1981 году "создано автоматизированных систем для учета, планирования и управления - 500; в том числе АСУ технологическими процессами - 300". При этом АСУ -это не только автоматизация с помощью ЭВМ операций планирования и учета производства; АСУ - это совершенствование самого содержания системы управления, её организационно-экономических элементов.
В диссертационной работе предполагается рассмотреть задачу управления и планирования отдельными участками металлурги -ческих заводов; разработать алгоритм оптимального управления и планирования участком; осуществить опытно-промышленную проверку алгоритма на примере Магнитогорского металлургического комбината.
Применение систем управления для участков, цехов, комплексов металлургических заводов...
В последнее время опубликовано немало работ, посвященных развитию систем управления в металлургии. Эти работы охватывают применение систем управления технологическими процессами, цехами, участками, отдельными агрегатами. Большая часть работ посвящена современным методам исследования технологических процессов, методам оптимизации процессов черной металлургии.
В работе [31 описаны основные направления развития работ по автоматизации управления металлургическим производством. На современном этапе автоматизации черной металлургии предполагается создавать и широко внедрять автоматизированные системы управления технологическими процессами и производством, а также осуществлять их интеграцию. Внедрение АСУТП обеспечит существенное улучшение технико-экономических показателей работы агрегатов и объектов. Авторы считают, что наиболее характерными задачами, решаемыми АСУП, являются: оперативный учет производства, учет отгрузки и реализации готовой продукции, обра -ботка портфеля заказов, расчет и анализ технико-экономических показателей цехов и предприятий, оптимальное управление и планирование работы участков, цехов, предприятий. Решение этих - 15 -задач позволит улучшить работу предприятия в целом, ограничить рост численности управленческого персонала, а в ряде случаев и сократить её.
Определенный интерес представляет статья [4]. В ней при -водится краткий обзор применения ЭВМ в автоматизированных си -стемах управления технологическими процессами в основных переделах и производствах черной металлургии: добыче и обогащении РУД» производстве агломерата (на примере алгоритма управления процесса приготовления агломерационной шихты и освоения авто -матизированной системы управления комплексом подготовки шихты на агломерационной фабрике ЧМЗ), производстве чугуна (авторы предполагают, что развитие автоматизации доменного процесса у нас в стране пойдет в направлении создания средств и систем, обеспечивающих ввод в управляющую ЭВМ непрерывной информации о химическом составе загружаемых в доменную печь компонентов шихт, продуктов доменной плавки, о влажности кокса, а также о состоянии поверхности шихтовых материалов на колошнике, характеризующем газодинамику процесса и интенсивность хода процесса, это позволит увеличить производительность доменных печей на 9-11%, снизить удельный расход кокса на 12-14%, улучшить качество чугуна, увеличить межремонтную кампанию печей), производстве стали (на примере применения УВМ в производстве конвер -торной стали на ЧМЗ, мартеновской стали на НТМК, Криворожском металлургическом заводе, в электросталеплавильном производстве на металлургическом заводе "Электросталь" и на Ново-Липецком металлургическом заводе), прокатном производстве (создание автоматизированных систем управления оптимальным раскроем проката, оптимальным управлением режимом нагрева металла в нагревательных устройствах, в системах управления параметрами прока - 16 та и т.д.).
Приведенный в статье обзор позволяет не только увидеть современное состояние систем управления в черной металлургии, но и наметить пути их развития. Наиболее перспективным направлением в создании систем управления в черной металлургии и в других отраслях промышленности является разработка и внедрение интегрированных автома -тизированных систем управления (ИАСУ), сочетающих в себе все лучшие характеристики АСУТП и АСУП и поднимающих системы уп -равления на качественно новый уровень.
Исследование участка металлургического завода с помощью имитационной модели
Основными выходными данными модели будут являться графики дрессировки, порезки, отгрузки рулонов. При построении имитационной модели встал вопрос о выборе начальных данных, начального состояния моделирования. В качестве таковых выбраны средние данные, полученные в предыдущем параграфе и характеризующие работу отделочного отделения. Блок-схема имитационной модели приведена на рис.22. В основном структура модели соответствует структуре технологической линии обработки металла на исследуемом участке. Блок I - блок подготовки работы имитационной модели. Открывает файлы; осуществляет ввод начальных данных, характеризующих положение на складе охлаждаемых рулонов, на дрессировке, порезке, отгрузке, числовых характеристик, необходимых для работы генераторов псевдослучайных чиселвспомогательных данных (значения счетчиков и т.д.); печатает заголовки к отчетам. На вход блока подаются начальные средние характеристики; блок I моделирует начальное положение на участке. Блок 2 разыгрывает время имитации; на вход подается числовая характеристика для работы генератора псевдослучайных чисел; на выходе получаем время имитации. Блок 3 - вспомогательный, осуществляет различные арифметические операции (изменяет положение на складе в связи с полу - 61 Рис.22. Блок-схема имитационной модели - 62 -ченным временем имитации). Блок 4 - поиск рулонов, закончивших охлаждение. В файле данных, содержащем информацию о положении на складе "отыскиваются" рулоны, время охлаждения которых близко к 0. Блок 5 - формирование монтажа. На вход блока подаются значения веса охладившихся рулонов; веса суммируются; на выходе блока - общий вес монтажа. Блок б осуществляет проверку полноты монтажа (сравнивает полученный общий вес с нормативным). Блок 7 в случае, если монтаж не набран (не соответствует нормативному) дополняет его рулонами, которые закончат охлаждение в течение времени имитации. Блок 8 составляет график прокатки. На вход блока подаются сведения о рулонах, составляющих монтаж; эти данные рассортировываются на два массива согласно технологии прокатки (один массив для дрессировки на широкополосном стане, другой - на узкополосном); каждый массив в свою очередь тоже подвергается сортировке, учитывая технологические особенности работы дрессировочных станов (металл прокатывается от широкого к узкому, от тонкого к толстому), количество плановых перестроек, особые отметки, портфель заказов. На выходе блока получаем графики прокатки рулонов. Блок 9 составляет график порезки. На вход блока подаются сведения о рулонах, прошедших обработку на дрессировочных станах (два массива соответственно количеству станов); каждый из этих массивов делится на два массива согласно признаку порезки; полученные массивы сортруются, учитывая портфель заказов, технологические особенности работы агрегатов резки, число плановых перестроек, особые отметки. На выходе блока получаем гра - 63 -фики порезки рулонов. Блок 10 составляет график отгрузки. На вход блока поступают данные о порезанных рулонах (четыре массива); массивы объединяются в один; полученный массив сортируется;, учитывая портфель заказов, особые отметки. На выходе блока получаем график отгрузки металла потребителю. Блок II осуществляет проверку: имитация работы смены за -вершена, сравнивает время имитации с фиксированным. Блок 12 в том случае, если имитация работы смены завершена, печатает результаты, закрывает файлы и проводит вспомога -тельные операции по завершению работы модели. Блок ІЗ в том случае, если имитация работы смены не завершена, имитирует поступление на склад: используя средние данные, датчики псевдослучайных чисел вырабатывают характеристики рулонов, поступивших на склад охлаждаемых рулонов из термического отделения. Управление передается блоку 2.
В работе моделировалось 30 суток работы отделочного отделения цеха холодной прокатки. Данные для моделирования, как было указано ранее, были отобраны на Магнитогорском металлургическом комбинате. Блок-схема имитационной модели может быть применена для имитации отделочного отделения любого металлур -гического завода. Программа, реализующая имитационную модель, представлена в приложении 2. Она написана на алгоритмическом языке Фортран-4 с использованием стандартного математического обеспечения и стандартного набора прикладных программ.
Методы решения задач оптимального управления отдельными участками металлургических заводов
Поставленная в предыдущей главе задача оптимального управления участком цеха холодной прокатки относится к классу нели -нейных задач по оптимальному быстродействию. В уравнениях (2.3), (2.11),(2.13),(2.14) встречаются слагаемые вида Уц ... Utj (слагаемые второго порядка), то есть закон движения исследуемого объекта нельзя записать в виде линейной системы дифференци -альных уравнений: Ус в ї.аІУ + брі/ (3.1) Наличие слагаемых второго порядка в уравнениях, описывающих движение металлопотока в отделочном отделении листопрокатного цеха, обусловлено технологическими особенностями перера -ботки металла на данном участке производства. В предыдущей главе была описана и обоснована необходимость распределения рулонов на классы по сортаменту и профилеразмерам. Во время движения металлопотока на участке на отдельные агрегаты передается не просто среднее количество рулонов, а среднее количество рулонов определенного класса, умноженное на управление (вероят -ность выбора металла из данного класса). Цель исследований, проведенных в этом параграфе, состоит в следующем: 1) разбор различных методов решения задачи нелинейного оптимального быстродействия; 2) анализ результатов применения этих методов к постав - 78 -ленной задаче (2.3),(2.11),(2,13),(2,14) с целью выбора метода, дающего наиболее экономичную схему расчета. В настоящее время разработано ряд методов решения задач нелинейного оптимального быстродействия: численные методы расчета оптимальных управлений, использующие необходимые условия экстремума - и прямые методы, которые при расчете экстремалей не используют необходимые условия экстремума .
В качестве численного метода решения задачи оптимального управления был применен метод редукции расчета оптимального управления к отысканию корней трансцендентной функции f100]. Выбор именно этого метода обусловлен тем, что он прост для программирования, позволяет использовать простые стандартные программы; таким образом, память ЭВМ используется только для хранения данных и основной программы; кроме того, время обращения к стандартным процедурам намного меньше времени работы программ, написанных пользователем. Ставится задача об отыскании управления U (t), которое переводит систему: У s /( У, U, t) за время Т t0 из одного фиксированного состояния У0 в другое Ут, при условии, что функционал Т- t0 принимает минимальное значение. Сведем эту задачу к отысканию функций У„, У,2,..., У , lKJ Y,...Уіу удовлетворяющих следующей системе уравнений: (3.2) УU J Li \Утт -- У 4-У І "и, ., Угу , Jj Urr,.. , Уаэ " , ..., Те, iff, .. .j і чз/з - 79 где U =5 U( У ,Ф, t) в каждый момент времени определяется из условия максимума функции Гамильтона (2.16). Решение системы (3.2) должно удовлетворять 2 43 условием (2.13). Для того, что построить интегральную кривую (3.2) необходимо тем или иным способом задать 4 J чисел % (to) т о/ где і я 1,J 9 Jsi Построив по значениям Уй. а У; траек -торию системы (3.2) мы получим при t- Т некоторые значения координат У а (Т) .В общем случае, разумеется, они не будут равны У.. , У Введем некоторые вспомогательные величины-невязки: У я у(Т)-&у. (3.3) Очевидно, что величины (3.3) зависят от начальных значений дополнительных параметров оС&. , то есть: i-lj, j-Д. (ЗЛ) Для решения задачи отыскания оптимального управления необхо -димо найти такие числа об/ которые обращают невязки (3.3) в нули. Таким образом, исходная задача оптимального управления может быть сведена к задаче отыскания корней функции У Ч /„...., Ы„). Функциональная связь между величинами невязок ( У ) и импульсов ( о(у ) не выражена непосредственным образом, поэтому нельзя найти аналитическое выражение для функций У через переменные об/ . В этом случае возникает необходимость построения численного решения задачи (3.2), которая является - 80 задачей Копій порядка 8 «7 ; причем на каждом шаге интегрирования значение управляющего вектора U = (ц„,..., UTy, ,..., U2y) определяем из условия максимума функции Гамильтона (2.16). Таким образом, на каждом шаге численного интегрирования решается вспомогательная задача линейного программирования (поскольку функция Гамильтона линейна относительно переменных U/t , ограничения на Uи также линейны).
Разработка человеко-машинного алгоритма оптимального управления участком цеха листо прокатного производства
Результаты решения задачи оптимального управления (2.3), - 94 -(2.II), (2.13), (2.14) могут быть использованы для составления суточных (сменных) графиков загрузки оборудования в отделочном отделении цеха холодной прокатки дрессировочных станов, агре -гатов резки. Однако при постановке задачи оптимального управления, при создании имитационной и математической моделей нам пришлось абстрагироваться от реальной действительности для формализации производственного процесса. Очевидно, что в этом случае возникает необходимость пренебречь некоторыми "несущественными" технологическими особенностями производства. Например, в постановке задачи не учитывается приоритет обработки металла в случае переназначения металла: повышение или понижение сортности; не учитывается приоритет обработки в случае специальных дополнительных назначений "Экспорт", "н/р - незапланированное распределение", "н/ц - нужды цеха", "с/х - сельское хозяйство". Трудно учесть также такое дополнительное условие, оказывающее влияние на длительность охлаждения руло -нов, как включение и выключение аэраторов. Это происходит потому, что назначение и переназначение приоритета происходит нерегулярно, возможны непредвиденные ситуации; таким образом, этот процесс не подчиняется описанию некоторым законам распределения случайных величин. Следовательно возникает необходимость введения в систему управления дополнительного звена - человека-диспетчера и решения задачи опти -мального планирования участком цеха холодной прокатки в режиме диалога "человек-ЭВМ".
Предполагается следующая замкнутая схема принятия решения: диспетчер получает машинную реализацию аадачи оптимального управления отделочным отделением; учитывает реальную производ - 95 -ственную ситуацию и вносит свои коррективы: изменяет сортность металла, в случае необходимости изменяет приоритет обработки рулонов, время охлаждения рулонов на складе, назначение металла; эти рекомендации опять поступают на ЭВМ для дополнительных расчетов,в результате которых выдаются графики (суточные или сменные) оптимальной загрузки оборудования.
Наличие диспетчера делает систему управления отделочным отделением листопрокатного производства многоуровневой иерархической системой. Она состоит из двух уровней: верхнего - дис -петчера и нижнего - решение задачи оптимального управления.Задача, решаемая на нижнем уровне является детерминированной. Верхний уровень позволяет учесть стохастический характер про -изводственного процесса, сделать систему управления участком более адаптивной, развивающейся. По мере накопления опыта, данные, которыми оперирует диспетчер можно будет перенести в ОС -новной алгоритм, скорректировать его, тем самым увеличить его возможности.
В связи с тем, что рассматриваемая задача принадлежит к классу двухуровневых иерархических систем, решение задачи оп -тимального управления и планирования металлопотоками в отделочном отделении проводится в два этапа. На первом этапе входными данными являются характеристики, задающие начальную ситуацию на участке ( У0 ), плановое время перестроек оборудования ( лвр) плановое задание по каждой сортаментной группе металла. Начальная ситуация на объекте исследования - вектор У0 = -(ч 4 и" и //- формируется с помощью имитационной модели следующим образом: на вход имитационной модели подаются статистические характеристики, описывающие реальный ход про - 96 изводства, на выходе получаем вектор У0 - количество металла по каждой сортаментной группе перед каждым агрегатом. При этом имитационная модель работает как самонастраивающая система. Статистические характеристики производственного процесса, подаваемые на вход, не являются раз и навсегда заданными; они претер -певают определенные изменения с течением времени.
