Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ объекта и некоторых подходов к его автоматизации. Постановка цели и задач исследования 14
1.1. Технологические аспекты производства цемента 14
1.1.1. Сведения о цикле производства цемента 14
1.1.2. Описание работы вращающейся печи для обжига клинкера 15
1.2. Состояние с автоматизацией печей обжига по мокрому способу в стране и за рубежом 22
1.2.1. Цементная печь как объект автоматизации 22
1.2.2. Имеющиеся технические и программные средства и системы автоматизации на переделе обжига 31
1.2.3. Анализ подходов к созданию компьютерных тренажеров и обоснование целесообразности их внедрения на производстве 37
1.3. Методы управления объектами на основе четких диаграмм поведения узлов 39
1.4. Нечеткие системы управления в современной промышленности и целесообразность их применения при автоматизации цементных печей 44
1.5. Постановка задач исследования 50
ГЛАВА 2. Принцип и методика построения нечетких диаграмм поведения узлов и их реализация при построении технологических узлов цементной печи 52
2.1. Комбинирование принципов создания нечетких систем управления и диаграмм поведения узлов – основа построения нечетких диаграмм поведения узлов 52
2.2. Обоснование применимости нечетких диаграмм поведения узлов к построению модели системы и решению задач управления 65
2.3. Выбор основных узлов для разработки модели работы печи и системы управления печью 66
2.3.1. Построение нечеткой диаграммы поведения узла «Температура материала в зоне подогрева» 67
2.3.2. Построение нечеткой диаграммы поведения узла «Разрежение в горячем конце печи» 72
2.3.3. Построение нечеткой диаграммы поведения узла «Концентрация углекислого газа в отходящих газах» 76
2.3.4. Построение нечеткой диаграммы поведения узла «Температура готового клинкера» 80
2.4. Выводы 85
ГЛАВА 3. Разработка советующей системы управления вращающейся печью на основе нечетких диаграмм поведения ее узлов 86
3.1. Помеченная сеть Петри как математический аппарат для написания алгоритмов работы узлов печи и алгоритма работы печи в целом 86
3.2. Алгоритм работы цементной печи как совокупность совместной работы ее узлов 87
3.2.1. Учет взаимовлияния узлов печи при написании алгоритма работы печи. Выявление нештатных и аварийных ситуаций 87
3.2.2. Проектирование структуры интеллектуальной советующей системы управления 96
3.3. Изменения и дополнения в функциональной схеме автоматизации цементной печи, обусловленные созданием советующей системы 99
3.4. Создание универсальной структуры для программной реализации 100
3.5. К возможности создания компьютерного тренажера на основе написанных алгоритмов 102
3.5.1. Обзор подходов к созданию компьютерного тренажера и обоснование выбранного подхода 102
3.5.2. Алгоритм работы фрагмента компьютерного тренажера в виде помеченной сети Петри. Открытость алгоритма. 104
3.6. Выводы 107
ГЛАВА 4. Реализация алгоритмов управления в советующей системе и фрагменте тренажера 108
4.1. Основные функции и процедуры 109
4.2. Описание интерфейса советующей системы управления 115
4.3. Программная реализация фрагментов алгоритма тренажера 117
4.3.1. Блок-схема алгоритма 117
4.3.2. Экранные формы тренажера 119
4.3.3. Модели трендов основных технологических величин цементной печи 124
4.4. Выводы 127
Основные выводы и результаты работы 128
Список литературы 129
- Состояние с автоматизацией печей обжига по мокрому способу в стране и за рубежом
- Выбор основных узлов для разработки модели работы печи и системы управления печью
- Учет взаимовлияния узлов печи при написании алгоритма работы печи. Выявление нештатных и аварийных ситуаций
- Программная реализация фрагментов алгоритма тренажера
Введение к работе
Актуальность. Производство цемента является основой для строительной промышленности любого развитого региона мира. Несмотря на довольно ресурсозатратную и энергоемкую промышленную сферу, которой является получение цемента, она развивается быстрыми темпами, как в России, так и за рубежом.
Сырьевая составляющая в местности производства цемента играет значительную роль при выборе метода и набора используемых агрегатов. Географически сложившийся набор сырья, который располагается на территории России, а также в близлежащих регионах центральной и северной части Евразийского континента, изначально имеет влажность, которая обуславливает производство цемента по мокрому способу. Иной способ будет содержать избыточные ступени, что увеличит затраты ресурсов на весь цикл производства. Кроме того, качество получаемого цемента с использованием мокрого сырья и соответствующего способа производства выше аналогично получаемого с применением сухого и комбинированного способов.
Попытки решить задачу автоматизации цементной печи мокрого способа предпринимались начиная с 1960-х годов, однако применение традиционных методов теории автоматического управления к разработке системы управления не привели к сколько-нибудь устойчивому регулированию. Это говорит о сложности цементной печи, как объекта автоматизации, что обусловлено нестационарностью и сложностью протекающих в ней физико-химических процессов, их многостадийностью, причем стадии распределены по длине печи, большим количеством внешних возмущений, взаимным влиянием технологических величин и параметров друг на друга и другими причинами. В подтверждение этого можно отметить, что как в России, где работает порядка 45 заводов, так и, например, в США, где насчитывалось к 2008 году 48 цементных печей, работающих по мокрому способу, практически нет автоматизированных систем управления процессом обжига. В то же время, по прогнозам экспертов, использование печей мокрого способа будет осуществляться как минимум еще 30 лет. В этом плане разработка автоматизированных систем управления такими печами является актуальной.
Диссертационная работа выполнялась в рамках соглашения между БГТУ им. В.Г. Шухова и ЗАО «Осколцемент» (г. Старый Оскол), НИР кафедры «Техническая кибернетика» БГТУ им. В.Г. Шухова, гранта по Программе УМНИК «Разработка комбинированных методов управления для повышения эффективности работы вращающейся печи», гранта по Программе СТАРТ №10565р/19102 «Разработка интеллектуальной системы для повышения эффективности работы вращающейся печи с применением комбинированных методов управления».
Цель работы - разработка и создание автоматизированной советующей системы управления вращающейся цементной печью мокрого способа на основе нечетких диаграмм поведения ее узлов для повышения эффективности принятия решений и снижения нагрузки на операторов печи.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Построить нечеткие модели поведения технологических величин, определяющих работу цементной печи.
-
Написать алгоритмы работы печи обжига на основе этих нечетких моделей.
-
Разработать методику синтеза управляющего автомата для объектов управления на основе нечетких диаграмм поведения их узлов.
-
Разработать интеллектуальную систему управления печью, включающую советующую систему управления печью и систему предотвращения нештатных и аварийных ситуаций.
-
Разработать фрагмент компьютерного тренажера печи, использующего в своей основе модель, аналогичную созданной для системы управления.
Научная новизна работы состоит в:
-
разработке методики построения нечетких диаграмм поведения узлов объектов;
-
построении нечетких диаграмм поведения пяти технологических величин цементной печи;
-
создании модели процесса обжига в печи мокрого способа, построенной на основе совокупности взаимно увязанных нечетких диаграмм поведения ее узлов;
-
разработке нечеткого алгоритма и написании продукционных правил управления цементной печью;
-
разработке методики синтеза управляющего автомата для объектов управления на основе нечетких диаграмм поведения их узлов;
-
разработке советующей автоматизированной системе управления печью, построенной на нечеткой модели объекта и разработанных нечетких алгоритмах с выдачей советов на верхний уровень, связанной с заводской базой данных и реальными технологическими величинами и параметрами печи;
-
разработке фрагмента компьютерного тренажера печи, алгоритм работы которого аналогичен советующей системе управления.
Практическая значимость работы заключается в:
-
повышении энергоэффективности и производительности работы печи обжига цементного клинкера по мокрому способу и снижении нагрузки на операторов;
-
создании оригинальных эргономичных программных приложений, реализующих внедрение советующей системы в существующую систему дистанционного контроля и управления;
-
создании в рамках проведенной работы фрагмента компьютерного тренажера, имитирующего работу реальной системы со свойственным ей поведением;
-
возможности тиражирования предложенных методик и программного обеспечения для аналогичного применения на других сложных объектах автоматизации;
-
использовании предложенных методик в учебном процессе.
Внедрение результатов исследований:
-
созданное программное обеспечение, включая алгоритмы управления, рекомендованы для внедрения на ЗАО «Осколцемент» (г. Старый Оскол);
-
ряд новых правил управления, выявленных в процессе исследования, используются операторами печи уже в настоящее время;
-
разработанный подход применяется в учебном процессе в рамках дисциплины «Цифровые системы управления» для подготовки специалистов по специальности 220201.65 «Управление и информатика в технических системах», а также предусмотрен для внедрения в рабочих программах для подготовки бакалавров по направлениям 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств», 221000.62 «Мехатроника и робототехника» и 220400.62 «Управление и информатика в технических системах».
На защиту выносятся:
-
Методика построения нечетких диаграмм поведения узлов объектов.
-
Пять нечетких диаграмм поведения технологических величин цементной печи.
-
Модель процесса обжига в печи мокрого способа, построенная на основе совокупности взаимно увязанных нечетких диаграмм поведения ее узлов.
-
Нечеткий алгоритм и продукционные правила управления цементной печью.
-
Методика синтеза управляющего автомата для объектов управления на основе нечетких диаграмм поведения их узлов.
-
Советующая автоматизированная система управления печью.
-
Фрагмент компьютерного тренажера печи.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационные исследования соответствуют п.п. 4, 15 паспорта специальности 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (строительство).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на Международной конференции «Successful R&I in Europe 2013: Takeoff for Horizon 2020» (Германия, г. Дюссельдорф: 2013), на II и V Международных Конгрессах Производителей Цемента (Белгород: 2009 и 2012), на Международной научно- практической конференции «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-25 (Харьков: 2012), на Международной научно- практической конференции «Инновационные материалы и технологии» - XX научные чтения (Белгород: 2011), на 54-й Международной научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе» (Долгопрудный: 2011), на конференции Российской венчурной компании (Белгород: 2010), а также на ежегодных научно-практических семинарах кафедры «Техническая кибернетика» (2009 - 2012 гг.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 работах, в том числе, 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад соискателя состоит в следующем:
Все разделы диссертационной работы написаны лично автором. Результаты исследований получены им самостоятельно, либо при его непосредственном участии.
В работах, опубликованных в соавторстве: [1, 5, 8] - написаны совместно с научным руководителем; [3, 9, 13, 15] - вклад состоит в предложении комбинированного метода и общих принципов построения интеллектуальной системы управления, а также в создании методики построения нечетких диаграмм поведения узлов; [2, 4, 6, 7, 10 - 12, 14] - вклад состоит в исследовании диссертантом объекта и разработке для него нечетких диаграмм поведения узлов.
Методы исследования. В работе при решении поставленных задач были использованы теория нечетких множеств и принципы построения систем управления, булева математика в сочетании с данными нечетких баз правил, теория графов и систем логического управления, методы цифровой фильтрации и сглаживания, а также теория конечных автоматов и помеченных сетей Петри.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 81 наименования, изложенных на 138 страницах машинописного текста, включая 6 таблиц и 62 рисунка, и пяти приложений на 11 страницах.
Состояние с автоматизацией печей обжига по мокрому способу в стране и за рубежом
Печь обжига клинкера как объект автоматизации является сложным для управления объектом. Многообразие протекающих физических и химических процессов, большое количество внешних возмущений, взаимные влияния технологических величин и параметров друг на друга, их распределенность по длине печи, трудность измерения многих из них – все это создает сложности по управлению печью.
Попытки решить задачу автоматизации цементной печи мокрого способа предпринимались, начиная с 1960-х годов [30], однако применение традиционных методов теории автоматического управления к разработке системы управления не привели к сколько-нибудь устойчивому регулированию. Необходимо отметить, что на данный момент в США насчитывается 48 цементных печей, работающих по мокрому способу, и ни на одной из них не стоит автоматизированная система управления процессом обжига [13]. И хотя с 1970-х годов наметилось значительное снижение количества таких печей с 234 штук до 48, печи мокрого способа продолжают функционировать.
В нашей стране порядка 45 заводов работают с применением печей мокрого способа и, по прогнозам экспертов, их использование будет осуществляться как минимум еще 30 лет. В то же время автоматизированного управления печами на них практически нет. Элементы автоматики в виде локальных контуров регулирования присутствуют на печах мокрого способа производства, однако они решают задачи по поддержанию лишь отдельных технологических величин, но не оптимального (рационального) управления всей печью.
Состояние с контролем, управлением и применением вычислительной техники в цементных производствах на начало 70-х годов в стране и за рубежом достаточно хорошо отражено в работах [19, 43, 55]. В силу названных выше причин, печь не поддается классическому формализованному описанию в виде математических моделей на приемлемом для синтеза систем автоматического управления уровне [56, 80]. Далее в [56] авторы предлагают свои подходы к управлению печью на основе современных нечетких подходов. При этом вся стратегия управления разделяется ими на два фактора: субъективный и методологический, то есть кто составляет правила и как они составляются, с чем следует согласиться. На основе анализа промышленных испытаний и литературных данных по эксплуатации цементных печей авторы предлагают три принципа, которые следует использовать при управлении печью: исключение причинности отклонения, декомпозиция объекта и разделение воздействий для компенсации возмущений и перехода в новый режим работы. Во всех принципах авторами делаются тепловые подходы для их реализации. Согласно первому принципу предлагается по тепловому состоянию печи определять степень и характер возмущений вне зависимости от его первопричины. Это позволяет формализовать правила управления и значительно уменьшить их количество. Согласно второму – определение управляющих воздействий производится по оценке перераспределения тепла между технологическим зонами печи, основными из которых авторы выделяют: холодную часть, состоящую из зон сушки и подогрева, зона декарбонизации, зона спекания и зона охлаждения печи и клинкерный холодильник. Согласно третьему принципу из предположения, что количество тепла, подаваемого в технологическую зону печи, складывается из тепла для возмещения потерь тепла в зоне и тепла для компенсации текущего изменения технологической величины разделяют управляющее воздействие для компенсации возмущений и для перехода в новые режимы.
К сожалению, все эти принципы управления не реализованы в автоматизированной системе управления печью, а выполняются операторами вручную, хотя многие заводы сделали места работы операторов более эргономичными и информативными, произведя замену старых датчиков и исполнительных устройств на современные с использованием промышленных протоколов и контроллерных средств.
Отсутствие формализованного описания процесса производства цементного клинкера, и, как следствие, отсутствие возможности применения автоматизированных систем регулирования, позволило организовать только систему удаленного мониторинга и ручного управления посредством специализированных пакетов SCADA–систем. Решение задачи комплексной оценки состояния печи, а также реализация системы автоматизированного управления в целом становится актуальной при рассмотрении основных преимуществ, которые могут быть получены в результате.
Синтез системы управления позволит не только снизить нагрузку на оператора печи, что положительно скажется на здоровье и качестве их работы, но также позволит как минимум стабилизировать или повысить производительность и качество выходного продукта, флуктуация которых в основном является следствием человеческого фактора. То же следует сказать и в отношении ресурсо-и энергосбережений.
Как предварительный итог можно сказать, что весь процесс обжига и все печи, работающие по мокрому способу, управляются только при помощи операторов, используя их опыт и знания процесса. Объем нагрузки на оператора настолько велик, что он может управлять не более чем двумя печами одновременно, при этом концентрация его внимания должна быть предельно высокой на всем периоде времени управления объектом [33].
Как объект с распределенными параметрами (ОРП) печь следует отнести к объектам второго вида [45].
Первый вид ОРП это объекты с возможностью позонного управления в них распределенной технологической величиной или параметром (экструдеры, печи для обжига кирпича, сушильные агрегаты и др.). Число управляющих воздействий в ОРП этого вида не менее числа зон, поскольку в ОРП этого вида ведется позонное управление. ОРП второго вида характеризуются наличием лишь нескольких управляющих воздействий на распределенную технологическую величину или параметры объекта (вращающиеся обжиговые печи клинкера и керамзита, ректификационные колонны, реакторы, теплообменники и др.).
В цементной печи главной распределенной технологической величиной является температура, распределенная в объекте как функция его длины. При этом стабильность температурного профиля (поля) по этому аргументу (длине) во многом определяет стабильность работы всего объекта в целом, качество производимого в нем продукта (клинкера) или (и) его производительность. В этом плане, требуемое поддержание температурного профиля в печи в статике и динамике является одной из главных задач по ее управлению. В то же время, измерение температурного профиля является проблемной задачей. Частично она решает путем установки термосканера по горячей зоне печи, производящего контроль температуры обшивки печи на протяжении 80 м (из общей длины печи в 185 м). Сканер позволяет косвенно судить о температурном профиле в горячей зоне, а также увидеть дефекты в футеровке печи.
Имели место гипотезы о возможности управления температурным профилем печи по так называемой "горячей точке", то есть точке с максимальным значением температурой в горячей зоне. Особенностью этой точки является ее существенный дрейф, как по длине печи, так и по ее значению, что связано с рядом факторов, основными из которых являются: нагрузка печи, температура факела, состав и свойства подаваемого сырья и другие. Управляя «горячей точкой», то есть, удерживая ее в заданном положении, как по длине печи, так и по значению предполагается возможность поддержания температурного профиля по всей печи [17].
Выбор основных узлов для разработки модели работы печи и системы управления печью
Для обоснования применимости предлагаемого метода для построения моделей систем необходимо в первую очередь сказать о том, что классические нечеткие подходы не позволяют учитывать поведение компонентов в том объеме, когда можно говорить о слежении за поведением объекта во всех штатных и нештатных ситуациях. Формализовав же алгоритм работы объекта в виде нечетких диаграмм поведения узлов, мы получаем возможность учитывать как управляющие и возмущающие воздействия, так и технологические условия, которые влияют на процесс функционирования объекта управления и определяют возможность появления нештатных и аварийных ситуаций. В последующем мы можем также моделировать различные нештатные и аварийные ситуации для создания автоматизированной системы управления и проработки их оператором на тренажере.
К тому же, в данных моделях учитывается опыт операторов печи и иных экспертов, который может в достаточной степени определять алгоритм работы объекта.
При традиционном нечетком управлении каждое управляющее воздействие рассматривается как функция т технологических величин, которые надо анализировать для изменения управления. При этом для управления получаем N правил, где N равно произведению количества термов kt (i = \,т) данной т технологической величины, то есть N = Ylkj. При наличии [/управлений число
правил будет определяться суммой правил для каждого из управляющих воздействий. При этом одна и та же величина может входить в правила для разных управляющих воздействий. Кроме того, правила управлений не учитывают введенного понятия ТУ.
В предлагаемом подходе рассматривается одна технологическая величина и все определяющие ее управляющие технологические величины, рассматриваемые как функции от управляющих воздействий и управляющих технологических координат, определяемых в свою очередь технологическими условиями. Кроме того, величина может определяться внутренними параметрами объекта, также зависящих от управляющих воздействий и управляющих технологических координат.
Построив диаграмму поведения технологической величины, все воздействующие на нее величины записываются как пометки на соответствующих дугах. Управление объектом сводится к поддержанию соответствующего режима для технологической величины. Наряду с управляющими воздействиями, достижение этой цели определяется управляющими технологическими координатами при соответствующих ТУ. При рассмотрении совокупности величин некоторые из них могут определяться одними и теми же управляющими воздействиями и управляющими технологическими координатами, требующими нахождения компромиссных решений с целью недопущения нештатных и аварийных ситуаций. Таким образом, решается одна и та же задача по управлению объектом, но различными подходами, причем в предлагаемом варианте для решения задач управления используется более обширная информация, чем в существующих.
В разделе 1.1.2 на основе мнений операторов и экспертов-технологов были названы 11 основных узлов в печи.
Рассмотрим работу еще четырех узлов агрегата (узел «Ток нагрузки на главный привод печи» был рассмотрен в качестве примера в разделе 2.1), которые выделены экспертами наиболее важными из названных одиннадцати: - «Температура материала в зоне подогрева» - Urп ,
- «Разрежение в горячей головке печи» - UP;
- «Концентрация углекислого газа в отходящих газах» - Ucoi,
- «Температура готового клинкера» - UTк.
По мнению большинства опрошенных экспертов, данные узлы можно считать наиболее информативными с точки зрения влияния на процесс клинкерообразования, его себестоимость и качество.
Величина тока главного привода (нагрузка) характеризует, в основном, протекание и степень подготовки материала до (в) зоне спекания и, как следствие, качество обжига.
Так как вращающаяся печь это теплотехнический агрегат, значит, контроль температуры в нем обязателен. Значение температуры материала после завесы говорит о степени подготовленности материала в зоне сушки и качестве шлама, косвенно о температурном спектре во всей печи.
Значение разрежения в горячей головке печи позволяет избежать многих аварийный ситуаций, исключить унос тепла свыше необходимого предела и предотвратить пыление и пылеунос.
Концентрация углекислого газа в отходящих газах характеризует, в основном, удельный расход топлива. Кроме того, она является величиной, по которой можно судить о качестве обработки материала, процессе сжигания топлива, и, даже величиной, по которой, по утверждению некоторых экспертов, можно вести весь процесс обжига.
Поскольку колосниковый холодильник рассматривается нами как единое целое с печью, то температура клинкера на выходе из него определяет качество его последующего помола, то есть качество клинкера как конечного продукта.
Учет взаимовлияния узлов печи при написании алгоритма работы печи. Выявление нештатных и аварийных ситуаций
На предыдущем этапе были получены пять алгоритмов работы узлов в виде их разверток, которые не связаны между собой. Учитывая то, что технологические величины реального объекта достаточно тесно взаимодействуют друг с другом, необходимо составить единый алгоритм работы для всех узлов системы. Такой алгоритм позволит выявить ранее неучтенные нештатные и аварийные ситуации, которые происходят при совместном рассмотрении работы пяти узлов. Для реализации воспользуемся, как и в главе 2, математическим аппаратом помеченных сетей Петри, состоящих из позиций, сопоставленных режимам, и переходов, помеченных условиями fi, ранее рассмотренных разверток. Особенность совместного рассмотрения узлов состоит в введении между развертками связей «переход-позиция-переход» (TPT-связи) и формирования физических сетей Петри, обоснованных в [53].
Итоговая физическая сеть Петри также должна быть правильной и удовлетворять дополнительно двум требованиям:
1) В каждой подсети узла должна быть одна и только одна метка, т.е. подсеть должна быть консервативна;
2) Метка в альтернативной подсети узла должна двигаться упорядоченным образом – из позиции Рi в позицию Рi+1,
Такая правильная сеть, удовлетворяющая дополнительно двум требованиям, вытекающим из физической сути диаграмм поведения узлов, названа в [53] физической. Первое требование вытекает из того, что в узле всегда имеет место какой-то режим и, следовательно, метка не может уйти из подсети узла, а поскольку режим в узле может быть лишь один, то одновременное нахождение меток в разных позициях подсети узла также невозможно. Кроме того, наличие одной метки в подсети узла вытекает из ее правильности. Второе требование следует из построения подсетей узлов по исходной модели – диаграмме поведения узла, что не допускает возможности перескоков через режимы. Правильность итоговой сети вытекает из необходимости моделирования регламентного циклического процесса.
Иначе, если правильная сеть Петри должна удовлетворять двум условиям – безопасности и живости, то физическая сеть Петри – дополнительно двум требованиям:
– единственности метки в подсети (консервативности подсети), – упорядоченности движения метки в подсети.
Создание физической сети с TPT-связями производится путем введения дополнительных меток в дополнительной позиции, либо введением связи при заданной начальной маркировке сети.
В процессе совместного рассмотрения узлов наряду со связями вида «переход-позиция-переход» использовались связи в виде бинарного семафора [39].
Необходимо отметить, что процессы в подсетях функционируют непрерывно и независимо от добавленных связей. Введенные связи позволяют отразить возможное появление нештатных и аварийных ситуаций.
Ранее в разделах 2.1, 2.3.1 – 2.3.4 были рассмотрены развертки узлов, отражающих регламентную работу узла и нештатные ситуации как уход с регламентного пути. Совместная работа узлов может приводить к появлению иных (новых) нештатных и аварийных ситуаций, которые рассматриваются ниже.
Выявление нештатных и аварийных ситуаций при совместной работе узлов должно производиться с учетом знаний операторов, технологов и внешних экспертов. В ряде случаев это можно выявить по литературным источникам или из знаний эксплуатации печи. В частности, нештатными следует считать ситуации, приведенные ниже, которые должны быть учтены при рассмотрении совокупной работы узлов. Эти ситуации на естественном языке в нечетких градациях выглядит следующим образом:
– уменьшение ниже среднего нагрузки на главный привод и рост выше среднего разрежения в горячей головке печи, температуры готового клинкера и концентрации CO2;
– увеличение тока нагрузки и температуры готового клинкера выше среднего, пониженная нагрузка на главном приводе, низкая температура материала в зоне подогрева и значительное превышение нормы разрежения в горячем конце печи; – минимальные значения тока нагрузки и температуры в зоне подогрева, а также высокие разрежение в горячей головке печи и концентрации CO2.
На формализованном языке в виде продукционных правил эти условия учтены при синтезе советующей системы.
Фрагменты совокупной сети представлены далее на рисунках 3.1 – 3.3, где буквой Р обозначен режим, а цифрами – его номер в соответствии с номером узла и его порядковым номером в узле (после точки). Под режимами приведены их мнемонические обозначения, а дополнительные условия перехода от режима к режиму приведены под рисунком.
Программная реализация фрагментов алгоритма тренажера
Описанный укрупненный алгоритм компьютерного тренажера был реализован в среде программирования Borland Delphi 7. Важной особенностью созданной программы является сохранение всей необходимой информации (указания учителя, ответы ученика, выставленные оценки) в текстовые файлы, которые можно будет просмотреть, не запуская программу. Также в максимальной степени был реализован понятный пользователю интерфейс и созданы различные проверки, которые не позволят ввести некорректные данные.
Общая структура тренажера довольно проста, однако полноценна за счет того, что содержит внутри себя модель в виде совокупности взаимодействующих узлов.
Работа компьютерного тренажера производится по схеме разбиения на управления, в каждом из которых существует ограниченный набор входных данных и возмущений и выходных регулируемых параметров.
Основные аспекты работы программы отражены на блок-схеме (рисунок 4.8).
Также есть режим моделирования нештатных ситуаций уводом тренажера из стабильного состояния учителем и необходимости возврата печи в стабильное состояние учеником. При этом учитель может осуществлять действия, как над входными данными, так и над возмущающими воздействиями или технологическими условиями. Такие изменения в канале объекта подхватываются программной моделью на базе нечетких диаграмм поведения объекта. Дальнейшая работа объекта полностью зависит от действий ученика и внесенных учителем заранее возмущений. В случае успешных действий модель, как и реальный объект стабилизируется, о чем должны говорить индикаторные приборы на рабочем месте оператора, в противном случае - они оповестят о прекращении работы вследствие аварийного останова объекта. Кроме поддержания работы системы с помощью модели существует также оценка правильности операций учителем после окончания упражнения. Он может оценить правомерность действий ученика и его работу в целом.
Разработанная программа позволяет решать все поставленные задачи, а именно:
разделение ролей на учителя и ученика;
защита паролем от несанкционированного доступа к важным данным;
возможность изменения учителем данных, а также проверка работ;
возможность учеником отвечать на задание учителя изменением параметров, а также просмотр своей работы, если она уже проверена кем-то из учителей;
сохранение записей всех сделанных изменений в текстовый файл.
Программа была разработана с учетом требования максимально дружественного интерфейса.
На рисунке 4.9 показано, как происходит вход в программу. Вначале происходит выбор учетной записи. Если оператор в первый раз запускает программу, то ему необходимо ввести свою фамилию. Если же нет, то оператору достаточно выбрать свою фамилию из выпадающего списка, ввести пароль, выбрать метод обучения и нажать кнопку «Вход».
Важной особенностью предлагаемого тренажера является разделение функционала на инструктора и обучающегося. При запуске программы оператор печи видит окно приветствия с возможностью выбора функционала. После ввода
120 своей фамилии и пароля открывается главное окно программы, которое будет различным для инструктора и обучающегося.
Для более полного воссоздания рабочего места оператора изменение всех управляющих воздействий доступно только в специальном окне, которое открывается при нажатии на его название. В заголовке окна присутствует информация об изменяемом управляющим воздействии, а в самом окне – пределы его изменения.
Функционал инструктора позволяет вводить любые физически осуществимые значения, как управляющих воздействий, так и выходных величин, в том числе, такие, которые соответствуют аварийной ситуации. После чего инструктор может сохранить введенные значения или, при наличии подключившегося ученика, отослать их ему по сети.
Имитация работы реального объекта управления достигается путем внесения в значения выходных величин случайных возмущений. При этом не исключена ситуация, что объект управления выйдет из нормального режима работы.
Интерфейс ученика идентичен окну инструктора, однако обучающемуся разрешено менять лишь управляющие воздействия, аналогичные реально работающей системе. Задачей ученика является анализ выходных величин и выдача на основе них управляющего решения для поддержания нормального режима работы вращающейся печи.
В процессе работы тренажера строятся тренды основных технологических величин.
На рисунке 4.10 показано основное окно программы в режиме «учитель». Расположение элементов выбрано исходя из принципа наибольшего подобия реального рабочего места оператора. Доступно меню в верхней части окна, в котором возможно просмотреть и/или установить начальные значения, а также оценить динамику работы тренажера по графикам основных технологических величин. Также присутствует 5 кнопок, значения которых отражены в их названии.
