Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структурно-функциональный анализ технологического процесса обогащения железистых кварцитов 10
1.1. Системная методология структурного анализа объекта управления 10
1.2. Анализ методов и алгоритмов моделирования и управления производственными системами 18
1.3. Обобщенная структурно-функциональная модель тех- нологической системы обогащения железистых квар цитов 27
1.4. Цель работы и задачи исследования 34
Глава 2. Имитационное моделирование техноло гического процесса обогащения железистых кварцитов 37
2.1. Формализованное описание моделируемого производ ственного процесса 37
2.2. Структура, состав и взаимодействие модулей моделирования 44
2.3. Моделирующие алгоритмы основных технологических стадий процесса обогащения железистых кварцитов 52
Глава 3. Алгоритмизация управления процессом обогащения железистых кварцитов 63
3.1. Структура и состав информационно-управляющей системы обогащения железистых кварцитов 63
3.2. Основные модели управления технологическим процессом обогащения железистых кварцитов 72
3.3. Оптимизационная модель выбора технических параметров оборудования 77
3.4. Модель принятия решений по оперативному реконфи-гурированию производственной системы 80
Глава 4. Графическое и программное обеспечение технологического процесса и результаты практической апробации системы имитационного моделирования 88
4.1. Графические модели технологических схем 88
4.2. Структура программного обеспечения системы имитационного моделирования 93
4.3. Практическое использование системы имитационного моделирования и анализа технологических структур обогащения железистых кварцитов 101
Заключение 109
Список литературы 111
- Анализ методов и алгоритмов моделирования и управления производственными системами
- Структура, состав и взаимодействие модулей моделирования
- Основные модели управления технологическим процессом обогащения железистых кварцитов
- Структура программного обеспечения системы имитационного моделирования
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время одной из важнейших проблем отечественной промышленности, наряду с запуском новых мощностей, является проблема повышения эффективности уже существующих производств при помощи внедрения современных средств и систем информатизации управления.
Одной из важнейших составляющих отрасли добычи и переработки полезных ископаемых являются предприятия по обогащению железистых кварцитов. Они позволяют получать обогащенный концентрат, который в дальнейшем используется для нужд металлургической промышленности.
Так как в технологических системах обогащения железистых кварцитов дискретный процесс поступления исходного сырья сочетается с непрерывным процессом его переработки, то они относятся к классу дискретно-непрерывных объектов управления. Еще одной характерной особенностью данных систем является то, что большое количество параметров функционирования имеют принципиально вероятностный характер. Это необходимо учитывать при разработке математических средств моделирования и принятия решений как при проектировании, так и в условиях существующего производства.
Данные обстоятельства ограничивают возможность применения в данной области строгих аналитических моделей и методов. Поэтому здесь целесообразно использовать аппарат имитационного моделирования, содержательно реализующий атрибуты теории массового обслуживания.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы продиктована необходимостью обеспечения высокой эффективности функционирования технологических систем обогащения железистых кварцитов за счет повышения качества управления на основе моделей анализа и принятия решений.
Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета "Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы".
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка формализованного описания процесса обогащения железистых кварцитов, составляющих содержательную основу имитационной модели производственной системы, а также моделей принятия решений, обеспечивающих оперативный режим автоматизированного управления.
Для достижения поставленной цели в работе определены следующие задачи исследования:
проведение структурно-функционального анализа технологических
систем обогащения железистых кварцитов и определение основных
ІБЛИОТЕКА- |
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ |
БИБЛИОТЕКА , \
C.I
э .,
факторов, оказывающих существенное влияние на эффективность их функционирования;
разработка формализованного описания исследуемых процессов,
учитывающих характерные особенности моделируемых производствен
ных систем;
" построение объектно-ориентированной имитационной модели, воспроизводящей основные технологические стадии процесса обогащения;
разработка моделей принятия управленческих решений в производственных условиях в подсистемах автоматизированного оперативного управления;
разработка графических моделей анализа альтернативных технологических структур производственных систем.
Методы исследования. В качестве теоретической и методологической основы диссертационного исследования использованы методы теории системного анализа, теории математического моделирования, теории автоматического управления, теории массового обслуживания, математической статистики, исследования операций, объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
модель формализованного описания процессов обогащения железистых кварцитов, базирующаяся на аппарате теории массового обслуживания и отличающаяся учетом дискретно-непрерывных свойств объекта управления;
объектно-ориентированная имитационная модель, воспроизводящая технологические стадии процесса обогащения железистых кварцитов и позволяющая реализовать оперативную адаптацию структурных и функциональных параметров к изменяющимся условиям функционирования объекта управления;
модели принятия решений по оперативному реконфигурированию технологической и производственной системы, обеспечивающие оптимальный компромисс между объемом выпуска целевого продукта и загрузкой каналов обработки в задачах гибкого автоматизированного производства;
графические модели технологических структур, позволяющие осуществлять мониторинг и оперативную корректировку структурных параметров в условиях автоматизированного управления действующих производств.
Практическая значимость и результаты внедрения. Предложенные в работе объектно-ориентированная имитационная модель, а также модели анализа и принятия решений реализованы в составе специального программного обеспечения, ориентированного на практическое использование в рамках автоматизированных систем управления предприятиями по обогащению железистых кварцитов.
Реализация предложенных в работе моделей для решения задач оперативного управления технологическими процессами обогащения железистых кварцитов позволяет получить экономический эффект за счет рационального использования производственных мощностей.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы реализованы в виде моделей анализа и принятия решений, интегрированных в рамках комплекса средств аппаратно-информационного обеспечения автоматизированной системы управления перерабатывающего предприятия ОАО "Стойленский ГОК". Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы достигается за счет качества и оперативности принимаемых решений по управлению производственным оборудованием и составляет 254 тыс. руб. в ценах декабря 2005 г.
Теоретические результаты работы используются в учебном процессе кафедры Автоматики и информатики в технических системах Воронежского государственного технического университета при подготовке студентов по дисциплине "Моделирование систем управления".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: Международной конференции "Современные сложные системы управления" (Старый Оскол, 2002); Всероссийской конференции "Современные системы управления" (Воронеж, 2003); Всероссийской конференции "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, производстве" (Воронеж, 2004); Пятой региональной научно-методической конференции "Информатика: проблемы, методология, технологии" (Воронеж, 2005), а также на научных семинарах кафедры автоматизированных и вычислительных систем Воронежского государственного технического университета.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них 2 работы без соавторов. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем предложены: в [2, 4] - формализованное описание процесса обогащения железистых кварцитов на основе аппарата теории массового обслуживания и объектно-ориентированная имитационная модель, воспроизводящая технологические стадии производства; в [3] - модели принятия решений по оперативному реконфигурированию технологической и производственной системы; в [6] - вариант автоматизированного анализа технологической структуры производственного процесса с применением графических моделей; в [5] - алгоритм перенастройки технологического оборудования в условиях изменения физических свойств входного сырья.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 129 страницах, библиографического списка из 98 наименований и приложения; содержит 41 рисунок, 4 таблицы.
Анализ методов и алгоритмов моделирования и управления производственными системами
При разработке современной автоматизированной системы управления, воздействующей на внутренние производственные процессы, применяются различные математические методы.
Проблема оптимального управления производством, решается несколькими научными направлениями[67]: 1. Теория массового обслуживания.
Массовое обслуживание — процесс удовлетворения какого-либо вида реальных однотипных заявок, требований. Теория массового обслуживания рассматривает задачи назначения приоритетов в обслуживании поступающих заявок станками, приборами и т.п.
Система массового обслуживания - одна из возможных математических формализации реальных систем, выполняемых для исследования их работы с помощью методов теории вероятностей.
Структура системы массового обслуживания (рис. 1.2) включает: входящий поток заявок, очереди заявок, обслуживающие механизмы, выходящий поток и связи между ними.
Входящий поток — совокупность заявок, которые поступают в систему для обслуживания. Очередь — совокупность заявок, уже появившихся в системе, но еще не обслуженных.
Дисциплина очереди - определяет порядок обслуживания поступающих в систему заявок. Механизм обслуживания (каналы, приборы, линии) - функциональные элементы, осуществляющие непосредственно операцию обслуживания заявок. Выходящий поток — совокупность обслуженных заявок.
Важным фактором является допустимая длина очереди, определяемая либо объемом накопителя, либо ограничением на время хранения и др. [97].
Принципы теории массового обслуживания положены в основу таких языков моделирования, как, GPSS, GASP, SIMSCRIPT, которые нацелены на построение дискретных моделей и описания динамического поведения систем. Моделирование производственных процессов опирается на фундаментальные знания в области теории вероятности и математической статистики. 2. Теория расписаний - область прикладной математики, которая развилась на базе исследования операций и теории массового обслуживания и использует в основном детерминированные математические модели. Задача теории расписаний считается заданной, если определены подлежащие выполнению работы и операции, количество и типы машин, выполняющих операции, порядок прохождения машин, критерии оценки вариантов расписаний [83].
Существуют статические и динамические модели. Статическая модель описывает связи между основными переменными в установившемся статическом режиме, динамическая - при переходе от одного режима к другому В динамических системах выполнение заявок происходит непрерывно, и они поступают в систему в случайные моменты времени. Динамическая модель записывается как функция непрерывного t или дискретного (s = t/At) времени. Терминология и методы для составления расписаний для динамических моделей взяты из теории массового обслуживания "первым пришел - первым обслужен" и не всегда приемлемы на практике.
Общая задача теории расписания заключается в упорядочении п работ в произвольной системе из т машин, минимизирующем максимальную деятельность прохождения работы. Алгоритм для решения задачи такого типа методом целочисленного линейного программирования описан в [41]. Решение модификации задачи после введения минимального штрафа за простой оборудования предлагает использование алгоритма, основанного на методе ветвей и границ, а в [96] предлагается использовать алгоритмы, основанные на методе динамического программирования.
Несмотря на существование множества алгоритмов, в том числе основанных на методах "разумного перебора", реализующих сопутствующую задачу о максимальном потоке [96], по сути дела большинство задач оперативно-календарного планирования основано на методах дискретной оптимизации. Однако с увеличением размерности системы, программы, основанные на методе "ветвей и границ" и на методе динамического программирования, становятся неэффективными, так как для выполнения требуется значительная часть оперативной памяти и машинного времени [38, 95].
В работе [95] отмечается, что главной проблемой при применении эвристических методов, несмотря на большое количество предлагаемых алгоритмов [38, 96], остается большая продолжительность решения задач теории расписания, и как следствие - их неприменимость для решения в реальном времени.
Структура, состав и взаимодействие модулей моделирования
Производственная система обогащения железистых кварцитов относится к классу дискретно-непрерывных объектов управления. При этом дискретный процесс поступления исходного сырья здесь сочетается с непрерывным процессом его переработки [11].
Предлагается формализованное описание функционирования данной системы, реализующее аппарат теории массового обслуживания, в соответствии с которым в качестве механизмов обслуживания заявок выступают каналы обработки заданных типов сырья.
Поскольку поступающее в систему на обработку сырье существенно отличается качественными характеристиками (массовая доля железа), то в работе введено понятие "типа сырья", соответствующее железной руде с различной массовой долей железа.
Каждому типу сырья ставится в соответствие несколько вариантов технологических схем его обработки, различающихся составом и расположением оборудования и качеством конечного продукта. Причем следует отметить, что в силу особенностей состава оборудования одна технологическая схема не может быть настроена на обработку всех типов сырья.
Железная руда поступает из корпуса дробления на обогатительную фабрику и при помощи системы конвейеров распределяется по бункерам силосного типа. Каждый бункер связан с несколькими каналами обработки, оборудование которых настроено на переработку определенных типов сырья. Канал обработки в каждый момент времени может обрабатывать только один тип сырья. Перенастройка канала обработки производится в зависимости от типа сырья на входе и определяет качество конечного продукта. Для каждого из типов сырья, выделены конкретные бункеры. Если свободное место в бункерах для сырья данного типа отсутствует, оно помещается на хранение в промежуточный бу фер (в физическом смысле - площадка для хранения руды в карьере). Для каждого типа сырья выделен отдельный буфер. Все сырье одного типа обрабатывается параллельно в нескольких технологических каналах. Теперь опишем данную систему в терминах теории массового обслуживания.
В систему на обслуживание поступает входной поток заявок, каждая из которых имеет смысл определенного объема сырья одного из типов. Таким образом, каждая заявка характеризуется двумя параметрами: тип сырья , размер . Входной поток заявок, поступающий в систему для обслуживания, разделяется на однородные потоки. Для каждого потока выделен свой накопитель, в котором накапливаются заявки. Каждый накопитель характеризуется следующими параметрами: максимальная загрузка и текущая (или начальная) загрузка сырьем. При переполнении накопителей, поступающие в систему заявки становятся в очередь, отдельную и независимую для каждого накопителя. Очередь также имеет ограничение на длину, что обусловливает возможность появления отказов в обслуживании. Решение о том, куда направляются заявки, принимается исходя из их количества и наличия свободного места в накопителе для заявок данного типа..
Таким образом, моделируемая система интерпретируется как многоканальная система массового обслуживания с отказами, с непрерывным входным потоком заявок и дискретным временем обработки заявок.
Среднее время обслуживания заявки определяется исходя из ее размера и технологических параметров типа сырья, которому принадлежит данная заявка. Кроме того, наличие случайных факторов производственного процесса переработки, оказывает влияние на величину времени обслуживания и определяет его стохастический характер.
Основным объектом моделирования является технологическое оборудование - каналы обслуживания сырья, работающие в независимом режиме. Для каналов обслуживания введены следующие параметры: максимальная загрузка, начальная загрузка, суммарное время работы, суммарное время простоя, время завершения обработки текущей порции сырья, признак "канал простаивает", время, прошедшее с момента последнего технического осмотра.
Поскольку время обработки единицы объема сырья в общем случае является случайной величиной, распределение которой можно аппроксимировать нормальным законом, сырье в модели характеризуется средним временем обработки одной единицы и дисперсией времени обработки.
Кроме того, предполагается, что общий поток заявок представляет собой совокупность отдельных и некоррелированных для каждого накопителя частных потоков сырья определенного типа. Каждый поток характеризуется интенсивностью Л, имеющей смысл среднего количества заявок, поступающих в систему в единицу времени. Поскольку потоки разных типов сырья независимы для каждого накопителя, механизм приоритетов в потоках отсутствует.
Данное формализованное описание положено в основу комплексной, имитационной модели, реализующей принцип "состояния изменений", в соответствии с которым анализ параметров системы осуществляется в моменты времени изменения состояния системы, совпадающие со временем окончания обслуживания очередной заявки. Модель имеет модульную структуру. Каждый из модулей моделирования выполняет определенную функцию, что позволяет осуществлять корректировку его содержания без изменения модели в целом.
Имитационная модель ориентирована на использование в системе управления в режиме планирования работы производственной системы. Выбор оптимальных управляющих решений обеспечивает минимизацию времени простоя технологического оборудования, времени ожидания заявками обслуживания, а также минимизацию отказов в обслуживании. Остановимся подробнее на содержательном аспекте моделирующего алгоритма, реализующего различные этапы функционирования производственной системы.
Выделим на временной оси отдельные точки, в которых изменяются параметры каналов обработки. Алгоритмически такие точки находят исходя из времени обработки единицы объема данного типа сырья и его общего количества.
Основные модели управления технологическим процессом обогащения железистых кварцитов
Для повышения эффективности управления технологическим процессом необходимо предусмотреть несколько альтернативных вариантов работы, которые выбираются в зависимости от текущих условий, что позволяет ведение процесса управления осуществлять более гибко и добиться лучших конечных результатов.
При производстве обогащенных железистых кварцитов предполагается использовать две основных модели управления технологическим процессом: Модель 1 — оптимизации производительности каналов обслуживания; Модель 2 - оперативного реконфигурирования производственной системы. Модель 1 используется при незначительных колебаниях качества исходного сырья и при значительном увеличении его количества. Модель 2 используется при существенном изменении качественных характеристик сырья и при невозможности добиться оптимального режима работы оборудования на основе модели 1. При переходе на новую схему обработки, технологическое оборудование включается в нее с предустановленными стандартными параметрами.
Для каждой модели определены как "индивидуальные" данные, используемые только в этой модели, так и общие, необходимые для работы обоих вариантов управления.
Структура информационного взаимодействия моделей управления технологическим процессов приведена на рис. 3.2.
Из схемы видно, что с массивами текущих параметров сырья, текущих параметров оборудования и заданий информацией обмениваются обе модели напрямую. Информация из массива допустимых значений параметров оборудования используется в первой модели, а из массива типов сырья - во второй.
Следует отметить взаимосвязь этих двух моделей: для работы используются данные одних и тех же массивов и при невозможности или нецелесообразности использования одной модели используется другая. Рассмотрим этот алгоритм более подробно.
При запуске системы производится первичная инициализация параметров, необходимых для работы: Tend - время окончания моделирования, качества поступающего сырья, данных от оборудования и т.п.
Далее выполняется проверка параметров сырья (количества руды, поступающего на обработку, массовая доля железа в ней). Если параметры сырья остались неизменными, система так же остается неизменной, а к текущему времени моделирования прибавляется величина At - интервал времени между событиями в системе. Если параметры сырья изменились, рассматривается необходимость изменения параметров всей системы. При переходе сырья на один из новых качественных уровней, или изменении количества поступающего сырья в таких пределах, что обработка по исходной схеме становится нецелесообразной, происходит переход к следующей стадии работы алгоритма. В противном случае система опять остается неизменной и к текущему времени моделирования снова прибавляется величина At.
На следующей стадии происходит сравнение текущих параметров системы (из массива текущих параметров) с допустимыми значениями параметров. Если есть возможность улучшить работу системы за счет изменения параметров оборудования, то применяется модель 1. Если такой возможности нет, применяется модель 2, суть которой состоит в изменении технологической схемы обработки железистых кварцитов.
Необходимо отметить, что при применении модели 1 изменение параметров оборудования происходит дискретно, т.е. параметрам присваивается одно из четко определенных значений, изменяющихся в установленных пределах. При невозможности дальнейшего изменения (значения параметров выходят за нижние или верхние установленные пределы) и происходит переход ко второй модели.
После применения к технологическому процессу одной из моделей управления, производится новая проверка параметров системы. Если есть возможность дальнейшего улучшения работы, производится новая перенастройка системы и т.д., пока не будет достигнут оптимальный вариант. После этого текущее время моделирования Т увеличивается на величину At и начинается новый цикл алгоритма. Выход из алгоритма происходит по достижении временем Т моделирования значения
Структура программного обеспечения системы имитационного моделирования
Разрабатываемая в рамках данной работы система имитационного моделирования процесса обогащения железистых кварцитов должна включать в себя программную поддержку моделируемых процессов Программное обеспечение можно разделить на следующие модули:
Пользовательский интерфейс модуль, через который осуществляется взаимодействие оператора с системой имитационного моделирования;
Массивы данных - содержат справочную информацию о технологическом оборудовании ( характеристики оборудования, его графические изображения) и типах сырья;
Задание параметров моделирования - модуль, позволяющий задавать параметры моделирования (время моделирования, параметры оборудования на начальный момент времени и т.д.);
Функциональный модуль - элемент, осуществляющий непосредственно моделирование процессов, происходящих в производственной системе с последующей передачей их в модуль вывода отчетов о результатах моделирования.
Структура программного обеспечения системы имитационного моделирования приведена на рис. 4.3.
Создание структуры программных модулей, определение их функций и взаимосвязей, а также содержания информационного обеспечения, определило основные требования к среде разработки и программному обеспечению. Разнообразие аппаратных и программных средств потенциальных заказчиков обусловливает условие переносимости программного обеспечения, кроме того, возникает необходимость в достаточной адаптируемости ППП и его "открытости", т.е. возможности пополнения его дополнительными программными модулями.
Создание крупномасштабных информационных систем (ИС) всегда было достаточно сложным делом, доступным только коллективам высококлассных специалистов в области программирования, поскольку при этом затрагивалось множество проблем, выходящих за рамки компетенции и подготовки даже опытных пользователей; стремительность изменения бизнес-процессов, отображаемых ИС, также требовала значительного сокращения сроков их создания. Все это послужило предпосылкой к появлению целого направления в индустрии программного обеспечения - создания инструментов быстрой разработки приложений RAD (Rapid Application Development).
RAD является комплектом специальных инструментальных средств быстрой разработки прикладных ИС, позволяющих оперировать с определенным набором графических объектов, функционально отображающих отдельные информационные объекты приложений. Средства RAD дают возможность формировать информационные объекты как некие действующие модели (прототипы), чье функционирование согласовано с пользователем, а затем разработчик может переходить непосредственно к формированию законченных приложений, не теряя при этом из виду общей картины проектируемой системы. Данная особенность инструментов RAD является результатом объектно-ориентированного подхода, внедряемого в системы программирования.
Объектно-ориентированные инструменты RAD в среде графического интерфейса пользователя позволяют на основе стандартных классов объектов формировать простые приложения без формирования кода программы. Таким образом, теперь даже конечный пользователь может создавать приложения, предназначенные для решения собственных задач. Кроме того, объектная ориентация RAD позволяет самим разработчикам сосредоточиться на сущности реальных бизнес-процессов предприятия, для которого создается ИС, что в итоге не может не повлиять на качество отображения моделируемых условий функционирования системы в создаваемых приложениях.
Имея в наличии RAD библиотеку заранее созданных и предопределенных объектов, разработчик может многократно использовать их в конкретном приложении как шаблоны, не создавая их каждый раз заново. Это и составляет основное преимущество объектно-ориентированных RAD, т.к. в данном случае ускоряется создание прототипов, а разработка логики поведений приложения становится намного проще.
Программная реализация имитационной системы моделирования производственных процессов выполнена в среде Delphi 5. Delphi является инструментом быстрой разработки приложений (RAD - Rapid Application Development). Объектно-ориентированный язык программирования Object Pascal, предоставляющий возможности наследования и инкапсуляции, в совокупности с графической средой проектирования и набором стандартных клас сов (VCL - Visual Component Library) обусловили выбор этой среды в качестве платформы для программной реализации системы.
Каждый объект модели описывается своим классом. Члены-переменные класса хранят атрибуты каждого объекта модели, а методы (функции и процедуры) выполняют определенные действия (например, вычисляют время, необходимое для переработки р кг сырья). Классы системы имеют определенную иерархию, т.е. классы-потомки наследуют переменные и методы класса-предка. Это позволяет не дублировать одинаковый программный код для всех классов, имеющих что-то общее. Специфические свойства и методы описываются уже в самих классах-потомках.
