автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Развитие метода системной оптимизации аппаратуры управления процессами взвешивания и дозирования

На правах рукописи

I

УДК 534.83.08:669.2/.8.002.5

МЕНЫЦИКОВ Валентин Александрович

РАЗВИТИЕ МЕТОДА СИСТЕМНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ АППАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ВЗВЕШИВАНИЯ И ДОЗИРОВАНИЯ

(На примере Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ»)

Специальность 05.13.01 —системный анализ, управление

и обработка информации

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: действительный член АИН РФ,

доктор технических наук, КУЗЯКИН Владимир Ильич

Екатеринбург - 2005

Работа выполнена в Региональном Свердловском отделении Международного Межакадемического Союза и в инженерной фирме «АВИТЕК ПЛЮС»

Защита состоится 4 марта 2005 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 02.017 РСО ММС 0191 по адресу: г.'Екатеринбург, ул. Володарского, 4.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ.

Диссертация в виде научного доклада разослана 3 февраля 2005 г.

Официальные оппоненты:

действительный член РАЕН профессор, доктор технических наук, ЧАПЦОВ Рудольф Петрович

профессор, доктор технических наук, АЛЕНИЧЕВ Виктор Михайлович

Ученый секретарь диссертационного совета, проф., к. ф. - м. н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

/. Актуальность темы исследования. Анализ технологических процессов взвешивания и дозирования сырья и готовой продукции металлургических предприятий позволяет установить, что модернизация этих процессов сводится к созданию автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами взвешивания и дозирования (АСКУТП ВД) с помощью компьютеризированных весов различного назначения.

Появление в начале 90-х годов компьютеризированных весоизмерительных устройств резко оживило рынок этой аппаратуры. Среди компьютеризированных весов для металлургического производства наибольшее распространение получили вагонные, автомобильные, транспортерные и платформенные весы различных модификаций. Кроме того, однотипные весы стали выпускаться, монтироваться и обслуживаться большим количеством специализированных фирм - изготовителей этого вида продукции. Огромная номенклатура весов и множество фирм - изготовителей, естественным образом, породили необходимость принятия оптимальных решений при создании информационно-измерительных систем контроля и управления продукционно-сырьевыми потоками металлургического производства.

В конце 70-х годов прошлого столетия В.М. Глушковым был предложен метод системной оптимизации, в том числе автоматизированных систем контроля и управления, который до сих пор используется при создании различных автоматизированных систем управления. В основе этого метода лежит решение многокритериальной задачи оптимизации систем. Однако решение многокритериальных задач в повседневной практике проектирования компьютеризированных систем представляет собой определенные трудности.

В настоящее время поставщики весоизмерительной и весодозирующей аппаратуры предлагают различные варианты своей аппаратуры, как правило, даже без технико-экономического обоснования. Такой способ, как известно, содержит в себе ряд недостатков, поскольку при его использовании не учитываются не только ресурсные показатели за весь срок эксплуатации систем, но и стоимостные показатели за первый год эксплуатации.

Сейчас разработку систем контроля и управления продукционно-сырьевыми потоками осуществляют интуитивными методами или, в лучшем случае, с использованием метода функционально-стоимостного анализа. Недостатки такого подхода к созданию аппаратуры взвешивания и дозирования в горнометаллургической отрасли промышленности общеизвестны.

В этой связи задача создания эффективных автоматизированных систем контроля и управления продукционно-сырьевыми потоками в различных отраслях промышленности является весьма значимой и актуальной.

Среди российских ученых, внесших большой научный вклад в повышение эффективности систем управления, следует отметить: В.М. Глушкова, СВ. Емельянова, В.Б. Колмановского, Н.Н. Красовского, A.M. Ляпунова, Г.И. Марчука, Н.К. Моисееву, Б.Р. Носова, А.А. Самарского В.М. Тихомиро-

ва и др., а также зарубежных ученых М. Атанса, М. Майкольма, К. Моулера, Д. Ортегу, К. Райнша, У. Пула, Дж. Форсайта, Р. Ховарда Т. Юкобори, и др.

Вместе с тем, необходимо отметить, что область исследования и создания АСКУТП ВД изучена все еще достаточно слабо. Хотя средства автоматизации процессов взвешивания и дозирования сырья и готовой продукции металлургических предприятий появились достаточно давно (более 15-и лет назад), теоретическая база объективного анализа и эффективного синтеза таких систем все еще недостаточна. Отсутствие научных методов, позволяющих решать задачи выбора рациональных информационных измерительных систем и технологий, объясняют причину того, что процент успешных внедрений АСКУТП ВД еще достаточно низкий.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы развития метода системной оптимизации автоматизированных систем контроля и управления продукционно-сырьевыми потоками металлургического производства на примере Богословского алюминиевого завода — филиала ОАО «СУАЛ».

Диссертационная работа выполнялась в рамках Концепции промышленной политики Свердловской области и ряда целевых научно-исследовательских программ министерства металлургии при правительстве Свердловской области, в том числе в рамках:

- Программы реализации государственной промышленной политики в металлургической отрасли Свердловской области, включая горнорудные предприятия, предприятия черной и цветной металлургии, огнеупорного производства, предприятия по добыче и переработке драгоценных и редкоземельных металлов, а так же определение стратегических приоритетов её развития как основы реформирования и развития промышленного комплекса;

- Программы содействия в техническом перевооружении и реконструкции металлургических предприятий, освоению и выпуску конкурентоспособной продукции;

2. Объектом исследования являются методы и средства повышения эффективности информационно-измерительных систем технологических процессов металлургических предприятий.

3. Предметом исследования являются методы создания эффективных автоматизированных систем процессами взвешивания и дозирования на примере Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ».

4. Цель и задачи исследования. Целью работы является развития метода системной оптимизации аппаратуры управления технологическими процессами взвешивания и дозирования на примере Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ».

Цель достигается решением следующих исследовательских задач:

- проведением аналитического обзора научно-технических достижений в области исследования;

- выполнением новой декомпозиции главной задачи целедостижения на частные задачи выбора эффективной информационной технологии и оптимального, по ресурсной эффективности, синтеза аппаратно-программной платформы системы контроля и управления приемкой сырья и отгрузкой готовой продукции в вагоны;

- постановкой и решением задачи повышения эффективности информационной технологии управления производственными процессами приемки сырья и отгрузки готовой продукции в вагоны;

- созданием вербальной, концептуальной, математической моделей и решением задачи оптимального синтеза, по критерию ресурсной эффективности, информационно-измерительной системы взвешивания и дозирования глинозема Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ».

5. Методы исследования базируются на использовании методов системного анализа информационных систем и технологий, теории принятии оптимальных технических решений, теории формализации и моделирования систем и процессов.

6. На защиту выносятся:

- результаты системного анализа научно-технических достижений в области исследования;

- новая декомпозиция главной задачи целедостижения на частные задачи выбора эффективной информационной технологии и оптимального синтеза аппаратно-программной платформы системы контроля и управления приемкой сырья и отгрузкой готовой продукции;

- постановка и результаты решения задачи поиска эффективной информационной технологии контроля и управления производственными процессами приемки сырья и отгрузки готовой продукции в вагоны;

- вербальная, концептуальная, математическая модели и результаты решения задачи оптимального синтеза информационно-измерительной системы взвешивания и дозирования глинозема, по критерию ресурсной эффективности, Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ»;

- метод построения эффективных систем автоматизации технологических процессов приемки сырья и отгрузки готовой продукции в вагоны.

7. Научная новизна заключается в разработке метода создания эффективных систем автоматизации процессов взвешивания и дозирования сырья и готовой продукции в вагоны. При этом:

- предложена новая декомпозиция исследуемых систем. Сформулирована система целей и выполнена декомпозиция главной задачи целедостижения на частные задачи выбора эффективной информационной технологии и оптимального, по критерию эффективности, синтеза архитектуры системы контроля и управления приемкой сырья и отгрузкой готовой продукции;

- сформулирована и решена задача повышения эффективности информационной технологии контроля и управления производственными процессами приемки сырья и отгрузки готовой продукции в вагоны;

- построены вербальная, концептуальная, математическая модели и решена задача оптимального синтеза информационно-измерительной системы взвешивания и дозирования глинозема, по критерию ресурсной эффективности, Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ».

8. Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанный метод обеспечивает повышение эффективности технологических процессов приемки сырья и отгрузки готовой продукции в вагоны за счет снижения перегруза готовой продукции и снижения размера санкций за простой вагонного парка и недогруз продукции Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ». Метод может быть использован на предприятиях горнорудной промышленности, черной металлургии и т.д.

9. Внедрение результатов исследований. Материалы диссертации использованы при разработке автоматизированной системы взвешивания и дозирования глинозема на БАЗ - филиале ОАО «СУАЛ».

10. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на: Всесоюзном научно-техническом совещании «Средства и системы автоматизированного контроля и управления технологическими процессами в цветной металлургии», г. Свердловск, 1991 г., Всесоюзных школах-семинарах «Надежность больших систем», г.Ташкент, 1988 г, г. Свердловск, 1990 г., г. Екатеринбург, 1992 г., 6 - 9-ой РНПК «Алюминий Урала» г. Краснотурьинск, БАЗ - филиал ОАО «СУАЛ», 2001, 2002, 2003, 2004 гг. и 4-й Межрегиональном форуме «Приборостроение 2004», г. Екатеринбург, 2004 г.

11. Личный вклад автора заключается:

в проведении системного анализа аппаратно-программных платформ систем контроля и управления приемкой сырья и отгрузкой готовой продукции в вагоны; в определении целей и задач целедостижения; в определении эффективной информационной технологии весового взвешивания и дозирования; в построении вербальной, концептуальной и математической моделей задачи оптимального синтеза, по критерию ресурсной эффективности, информационно-измерительной системы взвешивания и дозирования глинозема Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Системный анализ автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами взвешивания и дозирования

Выполненный в диссертационной работе системный анализ автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами взвешивания и дозирования (АСКУТП ВД) для металлургических предприятий представлен следующими результатами.

Во-первых, установлено, что проектированием, изготовлением, монтажом и сдачей весоизмерительных и весодозирующих систем «под ключ», в настоящее время, занимаются множество фирм. Привести подробно результаты системного анализа их продукции в рамках диссертации в виде научного доклада не представляется возможным. Ниже перечислены некоторые из ведущих фирм, выпускающие данную продукцию, и указаны Интернет-адреса их сайтов, где подробно представлены технические характеристики и прайс-листы на выпускаемое ими оборудование.

Для Уральского региона лидером данного направления деятельности является фирма «АВИТЕК +», имеющая длительный период производственной деятельности не только в Уральском регионе, но ив других регионах России и странах СНГ (http:\\ www.avitec.ru\). Другой, известной в Уральском регионе фирмой, является Научно-производственное объединение «ВЕСЫ». Научно-производственное объединение «ВЕСЫ» (http://www.Iibra.web.ur.ru) также имеет многолетний опыт сотрудничества с предприятиями горнометаллургической, машиностроительной, дорожно-строительной и других отраслей промышленности.

Наиболее известной, в Сибирском регионе, является корпорация «АСИ». Это динамично развивающаяся Кузбасская компания, представляющая свою продукцию на Российском и международном рынках. Основной вид деятельности этой фирмы является разработка и производство промышленных весоизмерительных систем (http://www.icasi.ru). Не менее известной, в Сибирском регионе, является «Томская электронная компания» (http://www.tek.ru), работающая совместно с другой Сибирской компанией ЗАО «Сибтензоприбор» (http://www.sibtenzo.com).

Кроме Российских фирм этого направления деятельности на российском рынке широко представлены и зарубежные фирмы или их эксклюзивные представители. Одним из таких представителей является ООО "Компоненты Весовой Техники" - эксклюзивный представитель компании НВМ GmbH (WT Division) в России и странах СНГ (http://www.kvt.ru).

Во-вторых, выяснено, что при создании и модернизации информационно-измерительных систем взвешивания и дозирования (ИИС ВД), в основном, все фирмы - изготовители используют процедуры проектирования в рамках старой парадигмы системологии (физикализм или физико-математический подход), когда рассматриваются только обеспечивающие части ИИС ВД. Концептуально информационно-измерительная система

взвешивания и дозирования, в этом случае, выглядит так, как это показано на рисунке 1.

Хотя потребность поиска эффективных систем контроля и управления чрезвычайно высока, понятно, что в такой ситуации выполнить поиск эффективной ИИС ВД можно только с помощью метода системной оптимизации (предложенного В.М. Глушковым), посредством решения многокритериальной задачи оптимизации каждой из обеспечивающих частей. Трудности решения задач подобного класса общеизвестны.

Возникшее противоречие можно устранить, например, с помощью разработки нового метода создания эффективных ИИС ВД, рассмотренного в данной диссертационной работе.

2. Решение задачи поиска эффективной информационной технологии контроля и управления технологическими процессами взвешивания и дозирования

2.1 Концептуальная постановка задачи

Известно, что повышение эффективности автоматизации производственных предприятий, осуществляется путем эффективной информатизации, интеграции и интернетизации информационно-управляющих систем (ИУС) данного предприятия. Вопросы интеграции и интернетизации относятся к сфере управления предприятием и в данной диссертации не рассматриваются. В диссертации подробно рассмотрены методы и средства повышения эффективности ИУС металлургического предприятия с помощью информационно-измерительных систем взвешивания и дозирования (ИИС ВД).

Одним из условий повышения эффективности ИУС предприятий является создание автоматизированных систем контроля и управления материальными потоками (АСКУ МП) и энергетическими потоками (АСКУ ЭП), которые часто называют АСКУЭ. В данном диссертационном исследовании АСУ

МП тождественна АСКУТП ВД. В дальнейшем, ограничимся рассмотрением только таких систем, которые относятся к ИИС ВД.

Информационно-измерительная система взвешивания и дозирования в рамках системного подхода может, в том числе, рассматриваться как единое целое, состоящее из двух частей. В этом случае такими частями ИИС ВД будут архитектура и информационная технология (рис. 2).

Архитектура (А) ИИС ВД состоит из первичных датчиков, оборудования сети, процессоров, операционной системы, драйверов и т.д. Совокупность этих компонентов образует аппаратно-программную платформу ИИС.

Информационная технология (ИТ), в свою очередь, состоит из частных информационных технологий (ЧИТ) и прикладных информационных технологий (ПИТ). Частными информационными технологиями, например, являются технологии измерения, сбора, распределения, хранения, обработки и визуализации информации. Прикладными информационными технологиями являются выборки из множеств частных информационных технологий, относящихся к данной информационной технологии. В дескриптивной форме концептуальная модель ИИС ВД запишется следующим выражением:

ИИС ВД = (А + ИТ> = <А + ЧИТ + ПИТ>.

(1)

В этой ситуации процесс проектирования или модернизации ИИС ВД более нагляден и касается как всей системы в целом, так и ее информационных технологий и архитектуры.

Кроме того, такая декомпозиция систем позволяет научно обоснованно строить систему целей создания эффективных ИИС ВД. Это помогает проводить декомпозицию целей и постановку оптимизационных задач целедости-жения более продуктивно используя, например, метод ядерно-оболочечной формализации целей. В свою очередь, это позволяет сравнительно просто определить главную задачу целедостижения и осуществить ее декомпозицию на более простые (как правило, однокритериальные) частные оптимизационные задачи. Научно-обоснованная формулировка задач целедостижения является основой объективного, а не эвристического, способа постановки и ре-

шения задач целедостижения на этапе эскизного проектирования ИИС ВД, при разработке технико-коммерческих предложений (ТКП), технических предложений (ТП) и технических заданий (ТЗ) для заказчиков.

Проведя целевой анализ создаваемых ИИС ВД (рис. 3), имеем:

При этом может быть использовано несколько оснований классификации целей, например: главная цель создания систем (разработка новых систем); главная цель модернизации (повышение эффективности систем); стратегические и тактические цели. Кроме того, могут быть определены производственные, финансовые цели, например, повышения качества продукции и т.д. Близка к этому, классификация целей «по Хану»: материальные, стоимостные, социальные, научно-технические цели.

Следовательно, в системе целей, для случая создания новых или модернизации существующих ИИС ВД, главная цель определится как цель создания эффективных ИИС ВД, а главная задача целедостижения определяется как задача поиска эффективного варианта ИИС ВД.

Дескриптивно концептуальная модель главной задачи целедостижения с учетом (1) запишется следующим образом:

ор1(ИИС ВД) — ор1(А + ЧИТ + ПИТ)\{А,ЧИТ, ПИТ},

(2)

Выражение (2) означает синтез оптимального варианта ИИС ВД на множествах ее архитектур, частных и прикладных информационных технологий, по какому-либо критерию оптимизации и позволяет увидеть, что оптимизировать ИИС ВД следует с позиций архитектуры (аппаратно-программной платформы), частных и прикладных информационных технологий.

Поскольку аппаратно-программная платформа ИИС может иметь множество вариантов своего исполнения, а частные и прикладные информационные технологии могут быть реализованы различными программными продуктами, то оптимизация ИИС ВД может быть выполнена по ресурсной эффективности архитектуры и клиентских программ одновременно.

Кроме того, современные компьютеризированные ИИС ВД комплектуются устройствами съема информации о материальных потоках, сбора и передачи данных, накопления и хранения данных и, наконец, программными продуктами обработки данных и визуализации информации и могут быть представлены логической конструкцией типа «клиент - сервер ресурса». Это существенно облегчает разработку базы измеряемых данных.

В диссертации рассмотрены различные варианты ЧИТ - измерения. При этом были рассмотрены частные информационные технологии измерения веса вагонов и состава вагонов при:

• потележечном способе взвешивания сыпучих грузов с помощью четырех измерительных элементов (ТС-4);

• потележечном способе взвешивания сыпучих грузов с помощью шести измерительных элементов (ТС-6);

• повагонном способе взвешивании жидких грузов с помощью восьми измерительных элементов (ВС-8);

• повагонном способе взвешивании жидких грузов с помощью двенадцати измерительных элементов (ВС-12);

• повагонном статическом способе взвешивании жидких и сыпучих грузов с помощью восьми измерительных элементов (ВСС-8).

Такая декомпозиция возможных способов взвешивания и дозирования конкретных видов сырья и готовой продукции металлургических предприятий позволяет определить для конкретных условий наиболее эффективный вариант ЧИТ - измерения.

Кроме того, в диссертационной работе выполнен системный анализ прикладных информационных технологий контроля и управления процессами взвешивания и дозирования для металлургических предприятий. Как известно, прикладные информационные технологии также могут быть различными. В данной работе рассмотрены: традиционные технологии взвешивания с помощью рычажных весов (ТРВ); отдельные компьютеризированные технологии взвешивания и дозирования (ТВД); комплексные компьютеризированные технологии взвешивания и дозирования (КТВД); технологии контроля и управления, включенные в состав автоматизированных систем оперативно-диспетчерского управления (ТОДУ). Такая декомпозиция прикладных информационных технологий позволяет определить наиболее эффективный вариант ПИТ - взвешивания и дозирования.

Выражение (2) позволяет сделать вывод о том, что главная задача целе-достижения при построении новых или модернизации существующих систем может быть декомпозирована на ряд частных задач, а именно, на:

1. Задачу поиска эффективной информационной технологии, в рамках поиска ЧИТ - измерения;

2. Задачу поиска эффективной информационной технологии, в рамках ПИТ

- взвешивания и дозирования;

3. Задачу синтеза оптимальной архитектуры или аппаратно-программной

платформы ИИС ВД по критерию ресурсной эффективности.

2.2. Построение вербальном и концептуальной моделей АСКУТП ВД

Для более детального исследования ИИС ВД, в диссертации построена вербальная и концептуальная модели АСКУТП ВД.

Различные варианты АСКУТП ВД могут реализовать одну из вышерас-смотренных прикладных информационных технологий, например, технологии взвешивания с помощью рычажных весов (ТРВ), отдельные компьютеризированные технологии взвешивания и дозирования (ТВД); комплексные компьютеризированные технологии взвешивания и дозирования (КТВД); технологии контроля и управления, включенные в состав автоматизированных систем оперативно-диспетчерского управления (ТОДУ). Построение моделей проведено на примере Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ».

Вербальная модель АСКУТП ВД представлена в табличной форме (табл. 1), где приведена ее наиболее существенные характеристики.

Таблица 1. Вербальная модель АСКУТП ВД

Предмет исследования Выбранные компоненты исследования Примечание

1 2 3

1. Предназначенность АСКУТП ВД. глиноземного производства БАЗа Состав функций и структура АСКУТП ВД,

2. Полиформкость системы (возможные варианты АСКУТП ВД) ТРВ; ТВД; КТВД; ТОДУ.

3. Иерархичность системы Трехуровневая: Участки измерения и дозирования; Цехи; Центральный пульт управления производством

4. Аппаратная платформа (статическая модель системы) Информационная сеть завода, профессиональные и персональные компьютеры, серверы, мосты, концентраторы, устройства визуализации и т.п.

5. Программная платформа (динамичность системы) Комплекс клиентских программ и баз данных, реализующих один из возможных вариантов АСУТП ВД.

6. Ресурсная эффективность Достигаемые эффекты Материальные; Социальные; Экономические. Рассматриваются только экономические эффекты

Недостатки существующей информационной технологии заключаются в отсутствии контроля веса загружаемого в вагон глинозема, что приводит к недогрузу или перегрузу вагонов-хопперов-зерновозов и необходимости дополнительной дозировки после взвешивания, что вызывает потери финансовых

средств при расчетах с МПС РФ (штрафы за простой вагонов, переплаты тарифа), потери глинозема, дополнительный расход ГСМ локомотивом.

Концептуальная модель АСКУТП ВД может быть построена только для определенной конфигурации компонентов, и также для конкретного предприятия. Так концептуальная модель АСКУТП ВД для минимального сочетания всех ее возможных компонентов при использовании технологического процесса взвешивания с помощью рычажных весов (ТРВ) может быть построена в минимальной конфигурации ее компонентов. Следовательно, для минимальной конфигурации (сочетания компонентов) АСКУТП ВД ее концептуальная модель может быть представлена следующим образом:

АСКУТП ВД = ИИС ТРВ. (3)

Для максимального сочетания компонентов АСКУТП ВД ее концептуальная модель будет выглядеть так:

АСКУТП ВД 3 ИИС ТОДУ. (4)

Понятно, что между моделями (3) и (4) существует большое отличие. Совершенно очевидно, что затраты на создание АСКУТП ВД в первом случае будут существенно меньше, чем во втором. Однако эффект от внедрения АСКУТП ВД в первом случае будет существенно отличаться от второго в сторону уменьшения.

Графически эти различия смотрятся так, как показано на рис. 4:

Э

К

э

^ к

Рис. 4. Зависимость эффективности АСКУТП ВД - (Э) от конфигурации (состава компонентов) АСКУТП ВД - (К)

Анализируя графики Э и К (рис. 4), нетрудно определить, что, чем сложнее конфигурация АСКУТП ВД, тем выше ее эффективность. Однако функция эффективности не линейна. Это порождает задачу поиска максимальной

эффективности для различных вариантов АСКУТП ВД. В реальной действительности функция эффективности дискретна, представляющая собой комбинацию эффективностей альтернативных вариантов системы.

Далее приводятся результаты решения задачи поиска эффективной технологии взвешивания и дозирования глинозема (ВДГ) для Богословского алюминиевого завода.

Поиск эффективной информационной технологии АСКТП ВДГ осуществлялся с помощью решения задачи определения максимальной эффективности. Следовательно, поиск максимальной эффективности информационной технологии определялся на множестве частных информационных технологий и множестве прикладных информационных технологий по формуле:

шах Э(ИТ) = (шах Э(ЧИТ) + max Э(ПИТ))/ { ЧИТ>, { ПИТ }.

В результате численных расчетов, были выбраны ЧИТ-измерения с помощью весов ВД-30-8 и повагонного статического и динамического способа взвешивании сыпучих грузов с помощью восьми измерительных элементов (ВСС-8), а также ПИТ контроля и управления ВДГ (ТОДУ), с включением АСУТП ВДГ в состав автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления БАЗ на основе MES-технологий.

2.3. Характеристика технологического объекта управления

Технологический объект управления — два башенных склада глинозема:

• первый склад включает товарные башни №7,8;

• второй склад - товарные башни №9,10.

Склады расположены вдоль железнодорожного пути, проходящего сквозь склады под товарными башнями по центру их расположения.

В дне башен имеются два отверстия, в каждое из которых установлены трубы. На конец труб надеты гибкие шланги, которые вручную оператором загрузки устанавливаются в люки загружаемых вагонов. На трубах установлено по два крана, которыми оператор перекрывает поток глинозема. Контроль технологического процесса дозирования выполняется оператором загрузки с помощью электронного табло, на котором визуализируется процесс дозирования глинозема. Погрузка глинозема производится в вагоны-хопперы-зерновозы (22т - тара, 65 т — нетто, объем кузова 93м3) и цементовозы (20т-тара, 65т - нетто, объем кузова - 55м3). Скорость наполнения вагона из двух труб составляет 6-7 мин. За период загрузки вагона требуется одна или две переустановки шлангов.

Вагоны под погрузку подаются тепловозом. Обычный состав поезда под погрузку составляет 12 вагонов. Вагоны устанавливаются по два в склад под товарные башни (ориентировочно вагон под центр башни). Точная установка вагона контролируется с помощью электронного табло, на котором визуализируется установка осей вагона на измерительный элемент. После загрузки вагона производится маневрирование и установка следующего вагона. Закончив загрузку, состав отправляется на взвешивание.

2.4. Технологическая схема АСУТПВДГ

Эффективная информационная технология приведена на рисунке 5.

В состав каждого ВДК входят: управляющий вычислительный комплекс (УВК), два грузоприемных устройства, табло и пульт оператора загрузки вагона, а также устройства защиты питания - одно на два ВДК(7,8 и 9,10), табло машиниста - в составе ВДК - ТБ7и ВДК - ТБ9, шкаф электрооборудования.

Связь ВДК между собой и ВДК - ТБ7 с сервером пульта контроля взвешиваний осуществляется по сети Ethernet.

3. Решение задачи поиска оптимальной, по ресурсной эффективности, архитектуры АСУТП ВДГ

3.1. Построение вербальной и концептуальной моделей АСУТП ВДГ

Вербальная модель задачи выбора оптимальной конфигурации или функционально-структурной реализации автоматизированной системы управления технологическим процессом взвешивания и дозирования глинозема в вагоны (АСУТП ВДГ) для Богословского Алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ» приведена ниже (табл. 2).

Таблица 2 Вербальная модель задачи оптимизации АСКУТП ВДГ

Предмет исследования Выбранные компоненты исследования Обозначения

1. Целевая функция Ресурсная эффективность АСУТП ВДГ ЯЕ

2. Ограничения Параметрические Конструктивные, Метрологические, Информационные 0

3. Граничные условия Климатические, Финансовые

Решение этой задачи требует построения концептуальной модели задачи. Она может быть создана, например, с помощью метода атрибутивной формализации. Там в качестве критерия оптимизации всегда используется ресурсная эффективность, получаемая как разность значений эффектов -Эй расходов на создание конкретного варианта АСУТП ВДГ - Р:

КБ = Э - Р. (5)

Используя зависимости Э и Р (рис.4) можно построить графическую зависимость ресурсной эффективности - RE. Графически эта зависимость (5) представлена на рисунке 6.

Концептуальная модель задачи оптимального синтеза АСУТП ВДГ будет представлена следующим выражением:

Мах Ш; = (Э - Р) /], О, в. (6)

Следовательно, поиск максимальной ресурсной эффективности может быть осуществлен как поиск максимальной разности (Э - Р) на множестве альтернативных вариантах - J при заданных ограничениях ^ и граничных условиях - G.

Оптимальная ЯБ

Рис. 6. График зависимости ресурсной эффективности - ЯЕ

3.2. Построение математической модели АСУТП ВДГ

Численное решение задачи (6) требует преобразования концептуальной модели (6) в математическую модель. Это можно сделать, если будут найдены численные значения Э и Р. Численное значение Э определяется суммой всех эффектов, полученных при создании конкретной АСУТП ВДГ:

Э=1р{ (7)

I

где i - ьй эффект от внедрения конкретного варианта АСУТП ВДГ.

Численное значение расходов Р определяется затратами на создание конкретного варианта АСУТП ВДГ - 3, плюс затраты на проектирование -Пи плюс эксплуатационные затраты за некоторое время эксплуатации - Г. Тогда:

Р = 3+ П + Г. (8)

Само собой разумеется, что решение задач (7) и (8) можно провести только для конкретного металлургического предприятия.

Тогда, для Богословского алюминиевого завода:

МахЯЕ — (Э-Р) /1,0,0 = (ХЭЦЗ+ П + Г))/1, 0, в. (9)

/

В настоящее время, металлургические предприятия, как правило, имеют собственные корпоративные информационные системы. Поэтому встает вопрос о необходимости включения АСУТП ВДГ в состав АСУ предприятия. Следовательно, АСУТП ВДГ должна иметь соответствующие связи с АСУП. Такая связь может быть выполнена различными способами, но наиболее благоприятные условия, как показывает опыт, возникают при включении АСУТП ВДГ в состав автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления предприятия с помощью MES-технологий.

Для Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ» численное решение задачи (9) было выполнено с целью определения наиболее эффективного варианта архитектуры АСУТП ВДГ БАЗ. Ниже приводятся основные характеристики этой системы.

4. Основные характеристики архитектуры АСУТП ВДГ Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ»

4.1. Назначение и производственные цели создания АСУТП ВДГ

АСУТП - весового дозирования глинозема в вагоны на Базе предназначена для информирования операторов загрузки вагонов, машиниста тепловоза, служб контроля отгрузки глинозема, а также для автоматизированного управления загрузкой вагонов и взвешивания состава загруженных вагонов. Система автоматизирует функции управления, учета, контроля, анализа и координации персонала ответственного за отгрузку глинозема.

АСУТП ВДГ выполнена как распределения автоматизированная система, включающая:

• пульт системы, совмещенной с УВК весодозирующего комплекса товарной башни №7 (ВДК-ТБ7);

• три пульта весодозирующего комплекса, совмещенные с УВК ВДК-ТБ8,ТБ9,ТБ10;

• четыре весодозирующих комплекса для товарных башен №7-10 с табло;

• пульт контроля взвешиваний, расположенный в производственном корпусе на расстоянии от башенных складов глинозема до 100 м. Производственные цели создания АСУТП ВДГ Богословского алюминиевого завода сведены в таблицу 3.

Производственные цели создания АСУТП ВДГ. Таблица 3

Цель Характеристика цели

Показатель степени достижения Критерий достижения

1. Повышение качества 1 )точность автоматизированной

загрузи вагонов дозировки загрузки вагонов (зер- <1,0%

новоза)

2)снижение простоя вагонов по 100%

причине ненормированной загруз- Видеокадром

ки вагона на мониторе

2.Коммерческий учет 3) отображение качества загрузки

отгружаемого гли- <0,5%

нозема Точность взвешивания составов

3. Улучшение условий 100%

труда операторов

загрузки 1 Информационное обеспечение по 100%

процессу загрузки

2)дистанционное ручное и автома-

4.Снижение техноло- тизированное управление исполни- -20%

гических потерь тельными механизмами

Экономия горючего для локомоти-

ва и глинозема от рассыпания

4.4. Основные функции УВК

Управляющий вычислительный комплекс (УВК) весодозирующего комплекса (ВДК) предназначен для решения следующих производственных и технологических задач:

• управление загрузкой вагонов по сигналам оператора;

• формирование и вывод сообщений на информационные табло;

• формирование диагностических сообщений;

• формирование фрагментов видеокадров;

• формирование базы данных взвешивания вагонов;

• формирование протоколов взвешивания

Эти задачи являются основными функциями или сервисами УВК и точнее определяются на этапе рабочего проектирования. Данные функции реализуются комплексом программ каждого УВК.

4.5. Характеристики комплекса программ УВК

Комплекс программ УВК состоит из четырех одинаковых программ, каждая из которых функционирует на УВК определенной товарной башни. Программы комплекса функционируют независимо друг от друга, обмениваясь друг с другом информацией посредством локальной вычислительной сети.

Режим работы программ комплекса непостоянный. Программы комплекса работают при взвешивании вагонов и поездов, а также при просмотре и редактировании протоколов взвешивания.

При работе программ комплекса с входными аналоговыми и дискретными сигналами во время взвешивания и дозирования происходит периодический контроль правильности полученных сигналов. При возникновении ошибочных ситуаций выдаются диагностические сообщения, содержание которых позволяет в режиме настройки устранить причины указанных ошибочных ситуаций и неисправности УВК.

4.6. Структура связей УВК

УВК являются распределенным многозвенным системами, функционирующим в каждом из четырех ВДК.

На каждом УВК имеется база данных товарной башни, служащая для хранения программной исходной информации и получаемой при взвешивании промежуточной информации. На сервере системы имеется база данных сервера, служащая для хранения результатов взвешивания. На УВК товарной башни №7 имеется резервная база данных, служащая для хранения результатов взвешивания. Резервная база данных является полной копией базы данных сервера, за исключением таблиц суточных и месячных сводок.

Каждый УВК комплекса ВДГ связан с некоторыми другими системами, перечень которых приведен ниже:

• АРМ начальника цеха кальцинации со специальным программным комплексом АКМ-УВО;

• сервер системы со специальным программным комплексом 8ЕЯУЕК-УВО.

Связи между УВК реализованы посредством общезаводской сети Ethernet. Кроме этого, все четыре УВК и сервер АСУТП ВДГ объединены в локальную вычислительную сеть и включены в информационную сеть завода. АСУТП ВДГ через свой сервер и общезаводскую информационную сеть может быть связана с функциональными подразделениями завода.

4.7. Структурная схема УВК

Основными компонентами АСУТП ВДГ БАЗ являются УВК. Структурная схема УВК приведена на рисунке 7.

Рис.7 Структурная схема УВК

5. Метод создания эффективных систем автоматизации процессов взвешивания и дозирования

Метод создания эффективных систем автоматизации технологических процессов взвешивания и дозирования представляет собой строгую последовательность выполнения следующих процедур:

1. Выбор эффективной информационно-измерительной технологии;

2. Выбор эффективной прикладной измерительной технологии;

3. Определение оптимальной, по ресурсной эффективности, архитектуры

ИИС ВД;

Состав процедур метода логически связан с вопросами исследований, выполненных в данной диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совокупность выдвинутых и обоснованных в диссертационной работе теоретических положений и их практическое использование представляют собой решение важной научно-технической задачи повышения эффективности металлургического производства, в частности, информационно-измерительных систем продукционно-сырьевых потоков на Богословском алюминиевом заводе — филиале ОАО «СУАЛ».

При этом получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработан метод создания эффективных систем автоматизации технологических процессов взвешивания и дозирования;

2. Проведен обзор научно-технических достижений в области исследования, определена система целей и выполнена декомпозиция главной задачи целедостижения на частные задачи выбора эффективной информационной технологии и оптимального, по ресурсной эффективности, синтеза архитектуры информационно-измерительной системы контроля и управления приемкой сырья и отгрузкой готовой продукции в вагоны;

3. Сформулирована и решена задача выбора эффективной информационной технологии контроля и управления технологическими процессами приемки сырья и отгрузки готовой продукции в вагоны;

4. Построены вербальная, концептуальная и математическая модели, а также решена задача оптимального синтеза, по критерию ресурсной эффективности, автоматизированной системы контроля и управления процессами взвешивания и дозирования глинозема Богословского алюминиевого завода -филиала ОАО «СУАЛ»;

5. Разработанный автором метод может быть использован для дальнейшего расширения области применения систем автоматизации технологических процессов приемки сырья и отгрузки готовой продукции металлургических и других предприятий, связанных с контролем и управлением товарно-сырьевыми потоками и ресурсами.

По теме диссертации опубликованы следующие печатные труды:

1. Меньшиков ВА., Сивенцев А.А., Дмитриев Г.И. Автоматизированная установка ЦИКЛ - 1 для измерения магнитных характеристик материалов// Тезисы докладов VI Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры». - Л.: ВНИИМ, 1983. - С. 225 - 226.

2. Вдовин Ю.А., Сивенцев А.А., Малкж В.П., Меньшиков Метрологическая аттестация автоматизированной установки ЦИКЛ - 1 для измерения магнитных характеристик материалов// Тезисы докладов VI Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы магнитных измерений и магни-тоизмерительной аппаратуры». - Л.: ВНИИМ, 1983. - С. 226 - 227.

3. Меньшиков В.А., Фильдштейн В.М. Измеритель сигналов тензодат-чиков на основе контроллера автоматизированного рабочего места поверителя. // Сборник трудов «Совершенствование техники и метрологического обеспечения тензометрии». - Свердловск: ООП ГВЦ СУ, 1986. С. 46 - 51.

4. Меньшиков В.А. О выборе структуры вторичной аппаратуры для оперативного диагностирования механических систем // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Эксплуатационная надежность машин, роботов и модулей гибких производственных систем». - Свердловск: Свердловский дом техники, 1987.-С. 134- 135.

5 Меньшиков ВА.. Специфика создания бортовых систем мониторинга // Расчет и управление надежностью больших механических систем. - Свердловск: УрО АН СССР, 1988.- С. 206.

6 Меньшиков В.А.. Автоматизированные системы научных исследований в процессе создания систем контроля, диагностики и мониторинга // Расчет и управление надежностью больших механических систем. - Свердловск: УрО АН СССР, 1990.- С. 150 - 151.

7. Кузякин В.И., Меньшиков В.А. Задачи обеспечения надежности систем мониторинга технического состояния сложных объектов // Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания "Средства и системы автоматического контроля и управления технологическими процессами в цветной металлургии". - Свердловск: УПИ, 1991.-С.87-88.

8. Меньшиков В.А.. Открытые системы метрологического обеспечения диагностической аппаратуры // Сборник научных трудов «Методы и средства повышения эксплуатационной надежности машин». - Екатеринбург: УрО РАН, 1993.-С.53-57.

9. Кузякин В.И., Меньшиков В.А. Повышение эффективности весоизмерительных и весодозирующих автоматизированных систем контроля и управления товарно-продукционными потоками. // Инжиниринг, инновации, инвестиции. Сборник научных трудов. Выпуск 5. - Челябинск: Издание ЧНЦ РАЕН и ЧелЦНТИ, 2004. С. 82 -86.

Подписано в печать 23.01 2005г. Формат 60x84 1/16. Бумага типографская № 1. Плоская печать. Усл. п. л. 1,39. Уч. изд. л. 1,0. Тираж 70. Заказ 2. Бесплагно.

Издательство УГТУ-УПИ. 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Размножено с готовых оригинал-макетов в типографии УрО РАН 620219. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

0S.1Z — OS. /3

t

a s it i

16 ФP; ?О05^ ♦