автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Алгоритмы управления процессом производства листового стекла с учетом влияния на окружающую среду

На правах рукописи

Мокляченко Алнна Викторовна

АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОГО СТЕКЛА С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 ПАП 2013

Владимир 2013

005059596

Работа выполнена на кафедре информационных систем и программной инженерии (ИСПИ) Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

МАКАРОВ Руслан Ильич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, зав.

кафедрой Мехатроника и электронные системы автомобилей ВлГУ КОБЗЕВ Александр Архипович

доктор технических наук, профессор кафедры кибернетики Ярославского технического университета ЦЫГАНКОВ Михаил Петрович

Ведущая организация: Костромской государственный

технологический университет

Защита диссертации состоится «. Г » Об 2013 г. в I ^ часов на заседании диссертационного совета Д.212.025.01 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд.-335/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

Автореферат диссертации разослан О У 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета университета: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ученому секретарю диссертационного совета Д.212.025.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета ,/7 У

доктор технических наук, профессор X ДАВЫДОВ H.H.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

К середине 20 века и, особенно в последние десятилетия в результате быстрого развития промышленности, транспорта, энергетики резко усилилась антропогенная нагрузка на природу; стала очевидной опасность истощения естественных ресурсов, необратимого загрязнения и изменения окружающей среды.

Стекольная промышленность является одной из базовых отраслей экономики и играет важную роль в формировании макроэкономических показателей отдельных регионов и России в целом. Процесс производства стекла характеризуется вовлечением в производство большого количества разнообразных сырьевых материалов и химических веществ (в том числе токсичных), высоким энергопотреблением, значительными потерями тепла и выделением (преимущественно в атмосферу) различных загрязняющих веществ.

Стекольные предприятия отличает то, что характер преобразования ресурсов предопределяет значимое воздействие на окружающую среду и здоровье людей. В производстве различных видов стекол содержание выбросов из стекловаренных печей определяется составом сырьевых материалов, типом печей и видом топлива. Воздействие стекольного производства на окружающую среду определяется как характером технологических процессов и особенностями используемого сырья, так и техническими решениями (средо-защитной техникой) и управленческими подходами. Охрана окружающей среды при производстве стекла связана, прежде всего, с уменьшением выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от составных цехов, стекловаренных печей, участков обработки изделий: пыли, оксидов азота, серы, оксидов углерода, оксидов различных металлов.

Вопросам управления качеством, охраной окружающей среды посвящены исследования ученых разных стран: Никифорова А.Д., Федюкина В.К., Шухарта В., Дёминга Э. и др. Серьезную основу для развития теории управления качеством и концепции интегрированных систем менеджмента (ИСМ), прежде всего применительно к стекольному производству, заложили труды отечественных академиков в области химической технологии и стекольного производства Кафарова В.В., Китайгородского И.И., Саркисова П.Д., академика в области теории систем и управления Прангишвили И.В. Накоплен значительный опыт в области интеграции систем управления, важность внедрения ИСМ для предприятий России отражена в работах Адлера Ю.П., Бочарова В .В., Василевской C.B., Гусевой Т.В., Кострова A.B., Макарова Р.И., Свиткина М.З., Тарбеева В.В., Хорошевой Е.Р. и др.

Целью диссертационной работы является минимизации расхода сырьевых и энергетических ресурсов при выработке стекла высокого качества и ограничениях концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах.

Поставленная в работе цель достигнута за счет решения следующих задач:

1. Проведен анализ производства листового стекла и идентификация воздействий производства на окружающую среду.

2. Разработаны модели, описывающие расход сырьевых, энергетических ресурсов, качество продукции, воздействия производства на окружающую среду.

3. Разработаны алгоритмы управления и принятия решений в производстве листового стекла с учетом влияния производства на окружающую среду.

4. Оценена эффективность алгоритмов управления.

Объект исследования - производство листового стекла флоат-способом.

Предмет исследования - алгоритмы управления технологическим процессом производства листового стекла флоат-способом.

Методы исследования. Поставленные задачи решались с использованием методов теории управления, системного анализа, теории алгоритмов, математического моделирования, а также имитационного моделирования на ЭВМ.

Научная новизна

1. Предложен критерий управления производством полированного стекла на основе системного подхода, учитывающий расход сырьевых и энергетических ресурсов в производстве, качество вырабатываемого стекла, воздействие технологического процесса на окружающую среду и здоровье сотрудников.

2. Разработаны математические модели для линии производства стекла, описывающие зависимость удельного расхода газа на стекловарение от состава шихты и режима варки. Построены линейные уравнения регрессии, описывающие зависимость коэффициента использования стекла от режима работы технологического оборудования и качества шихты.

3. Получены регрессионные уравнения, описывающие зависимость концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах от технологического режима производства стекла. Показано, что заболеваемости работников стекольного производства зависит от концентрации вредных веществ в выбросах и вредных веществ в сбросах производства.

4. Разработаны алгоритмы управления технологическим процессом и принятия решений в производстве листового стекла с учетом расхода сырьевых и энергетических ресурсов в производстве, качества вырабатываемого стекла и воздействий на окружающую среду.

5. Предложена методика оценки эффективности системы поддержки принятия решений при управлении технологическим процессом производства листового стекла, учитывающая случайных характер принимаемых решений человеком в контуре управления.

Практическая значимость работы.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что разработанные математические модели, описывающие технологический

процесс производства листового стекла флоат-способом, и предложенные алгоритмы управления производством позволяют экономно использовать сырьевые и энергетические ресурсы в процессе производства стекла высокого качества при ограничениях концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах.

Результаты диссертационного исследования имеют практическую значимость для стекольных производств отрасли.

Внедрение результатов работы.

Имитационным моделированием алгоритма управления линиями производства листового стекла в ПО «Полированное стекло» ОАО «Эй Джи Си Борский стекольный завод» показана их эффективность: ожидаемое увеличение коэффициента использования стекла в производстве достигает 7-8% при уменьшении концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах производства.

Значимость диссертационной работы подтверждается положительными отзывами на работу, полученными из ОАО «Эй Джи Си Борский стекольный завод» и ЗАО «Стромизмеритель» (г. Нижний Новгород).

Разработанная методика оценки эффективности человеко-машинной системы управления применяется в учебном процессе Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

Апробация и реализация результатов исследования.

Основные научные результаты доложены на: международной научной конференции ММТТ-22 «Математические методы в технике и технологиях», г. Иваново, 2009г.; международной научной конференции ММТТ-23 «Математические методы в технике и технологиях», г. Саратов, 20 Юг, международной научной конференции ММТТ-24 «Математические методы в технике и технологиях», г. Киев, 2011г.; международной научной конференции ММТТ-26, г. Нижний Новгород, 2013; на конференции «Реинжиниринг технологических, организационных и управленческих процессов как основа модернизации экономики регионов», г. Кострома, 2010г.; на межвузовских научно-практических конференциях ВЗФЭИ, г. Владимир, 2008г, 2009г, 2010г, 2011г.; на научно-технических конференциях ВлГУ, г. Владимир, 2005-2011гг.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Системный подход к управлению технологическим процессом производства листового стекла, решающий задачу экономного использования энергетических и материальных ресурсов в производстве, обеспечивая высокое качество продукции при ограничениях концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах, обеспечивая безопасные условия труда работникам производства.

2. Математические модели, описывающие зависимость коэффициента использования стекла (КИС) и удельного расхода газа в производстве листового стекла флоат-способом.

3. Регрессионные уравнения, описывающие зависимость концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах от режимов работы технологического оборудования в производстве стекла. Зависимость заболеваемости работников производства от концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах производства.

4. Алгоритмы управления технологическим процессом производства листового стекла, учитывающие расход сырьевых и энергетических ресурсов в производстве, качество вырабатываемого стекла и вредное влияние производства на окружающую среду.

5. Методика оценки эффективности функционирования человеко-машинной системы управления в производстве листового стекла, учитывающая случайных характер принимаемых решений человеком в контуре управления.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 12 публикациях, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК России.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Содержит 124 страницы основного текста, включает 14 рисунков, 25 таблиц, 2 приложения, список литературы из 76 наименований.

II КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, степень ее разработанности. Сформулированы цели и определены решаемые в диссертации научные задачи. Указана научная новизна работы, теоретическая и практическая значимость. Обоснованы выбранные методы исследования. Сформулированы положения, выносимые на защиту. Обоснована степень достоверности выполненных исследований, указана апробация результатов.

В первой главе проведен анализ производства листового стекла флоат-способом как объекта управления. Производство листового стекла относится к числу непрерывных крупнотоннажных и энергоемких производств. Производительность технологических линий по выработке стекла составляет 480600 тонн в сутки, расход природного газа на варку стекла - 100*103 - 130*103 мЗ/сут.

Технологический процесс выработки стекла является многостадийным - содержит стадии подготовки шихты, варки стекла, формования ленты стекла на расплаве олова, отжига ленты стекла, резки и раскроя, складирования продукции. Характер преобразования ресурсов сопровождается вредными воздействиями производства на окружающую среду и заболеваемость работников производства Концептуальная модель технологического процесса производства листового стекла приведена на рисунке 1.

Законодательное акты РФ

Материальные ресурсы

Энергетические ресурсы

Информационные ресурсы

Стандарты

Производить листовое стекло

Технологи*

еские

режимы

Качественная продукция

мнформацияо качестве, зко логичности, безопасности продукции

Отходытвердые, выбросы и сбросы

Рисунок 1 - Концептуальная модель технологического процесса производства листового стекла

В главе проведен анализ вредных воздействий производства стекла на окружающую среду и заболеваемость работников производства. Показано превышение некоторыми вредными веществами, содержащихся в выбросах и сбросах производства, предельно допустимых концентраций. Обоснована необходимость разработки математических моделей, описывающих влияние технологических режимов производства стекла и состава шихты на интенсивность воздействия производства на окружающую природную среду и здоровье работников производства.

Проведена структуризация целей и функций управления технологическим процессом производства листового стекла. Уточнены глобальные цели стекольного производства в современных рыночных условиях: обеспечение стратегического преимущества на рынке стекла над конкурентами; повышение уровня удовлетворённости потребителей стекла; минимизация вредного воздействия результатов деятельности производства на окружающую природную среду. На реализацию перечисленных глобальных целей ориентированы разрабатываемые алгоритмы управления технологическим процессом производства листового стекла.

На действующих стекольных производствах внедрены систем менеджмента качества, экологического менеджмента, профессиональной безопасности и охраны труда. Эти системы решают частные задачи управления в области качества, экологии и охраны труда.

Качество и объем вырабатываемой продукции, интенсивность воздействий производства на окружающую природную среду и заболеваемость работников зависит от технологических режимов стадий производства. Этим обоснована необходимость использования системного подхода к управлению технологическим процессом на стадиях производства листового стекла, что реализуется разрабатываемыми алгоритмами управления.

Поставлена задача управления технологическим процессом производства стекла как минимизация потерь энергетических и сырьевых ресурсов в производстве при выработке планового количества стекла высокого качества

7

и ограничениях вредного воздействия производства на окружающую среду. Выбран метод решения задачи управления с использованием математических моделей, описывающих технологический процесс производства листового стекла флоат-способом.

Эффективность алгоритмов управления оценивается имитационным моделированием с использованием реальных данных, собранных с производства полированного стекла ОАО «Эй Джи СИ «Борский стекольный завод». Использование ретроспективных данных при моделировании позволяет сравнивать эффективность разработанных алгоритмов управления с ручным ведением процесса при одинаковых условиях функционирования системы.

Во второй главе разработаны математические модели, описывающие вредное влияние технологического процесса производства листового стекла на окружающую среду. Проведен анализ влияния технологических режимов производства стекла флоат-способом и состава шихты на концентрацию вредных веществ в производственно-ливневой воде после очистных сооружений (в сбросах).

Обработкой статистических данных производства получены линейные регрессионные модели, адекватно описывающие концентрацию вредных веществ в сбросах:

- алюминия:

С. =4,44-0,0027*^ + 0,0016 *<?,2Я] +0,0000016 *£>г| +0,3 - 0,00025 * Ст + 0,23 * Скго + 2,98 * Сю_ - 0,088 * Яе, + 0,0025 * вщ -0.01*0^ -0,002*0^

с оценками Я2= 87,1%, 5е=0,027 мг/дм3,

где С„ - концентрация алюминия в сбросах, мг/дм3; 0]д - температура олова в первом пролете флоат-ванны 1, °С; в - температура олова в первом пролете флоат-ванны 2, °С; #12Я - температура олова в 12-м пролете флоат-ванны 1, °С; £>г1 - расход газа на ванную печь 1, м3/ч; - содержание соды в шихте по массе, %; - содержание оксида

кремния в стекле по массе, %; СА- 0 - содержание калийных солей в шихте по массе, %;

- содержание сульфатов в шихте по массе, %; Ке, - число Редокса, окислительно-восстановительная среда в печи 1, д/е; вттм - температура в выработочном канале печи 2, °С; впаг - температура ленты стекла на выходе из флоат-ванны 2, °С; Л2- коэффициент детерминации, %; стандартная ошибка модели, мг/дм3;

- сульфатов:

С^ = 204,85 - 0,4 * вщ + 0,22 * +16,89 *СКЮ +0,045*0, -1,03 * - 9,17 * #22 + 0.11 * в}СМ2 - 0,006 * Рт1

с оценками ^=46,15%, 5е=5,б12 мг/дм3,

где Сгу - концентрация сульфатов в сбросах, мг/дм3; вш - температура шихты, 0С;й, -толщина вырабатываемой ленты стекла на первой линии, мм; Н2 - концентрация водорода в защитной атмосфере флоат-ванны 1, %; д,СМг - температура стекломассы в печи 2 по по-

казаниям 3- ой донной термопары, °С; /',„„ - мощность повторного нагрева флоат-ванны 2, кВт;

- взвешенных веществ:

С„ =487,34 + 0,04* вщ +0,13*0^+44,29*0^-0,055* С SK} + 8,6*СА.20 -- 2,94 * Re, - 0,6 * Вл -1,34* 6»Wi - 0,094 * 9,CMi + 0,15 * в2см< - 0,5 * Oxygen2 с оценками R2= 79,8%, Se=2,26 мг/дм3,

где Cefl — концентрация взвешенных веществ в сбросах, мг/дм3; в - температура олова в 20-м пролете флоат-ванны 1, °С; СИ1[ - влажность шихты, %; - температура в выработанном канале печи 1, °С; 0]см - температура стекломассы в печи 1 по показаниям 1- ой донной термопары, °С; 01<ы> - температура стекломассы в печи 1 по показаниям 2- ой донной термопары, °С; Са г - концентрация кислорода в защитной атмосфере флоат-ванны 2, %;

- железа:

С^ =23,34-0,0075*вщ + 0,0038+ О,ОО6*0гщ -0,0000045*^ -0,37*С№;СО> + + 0,05 * Н + 0,0007 * С8Ю - 0,023 * ССо0 + 0,13 * Re, - 0,016 * <5, - 0,02 * 9cam,t + + 0,002*6^ -0,00013*P„Bi + 0,15*Re2+0,02*S2 +0,0032*0,^ с оценками R2=66,38%, Se=0,077 мг/дм3,

где Сж - концентрация оксидов железа в сбросах, мг/дм3; С„„- нерастворимые остатки в шихте, %; Ссм - содержание карбонатов в шихте по массе, %; Рт] - мощность повторного нагрева флоат-ванны 1, кВт; S2 - толщина вырабатываемой ленты стекла на второй линии, мм;.

- нефтепродуктов:

Ст =17,73 + 0,005*вщ -2,2*C,,,,jCOj +1,1*С, + 0,34*СК2О -0,2*Re,+ + 0,0045+ 0,001*6^ -0,0057*виЯг - 0,0064* 02ORi -0,14*Re2+0,013*Oxygen2

с оценками /?2=72,3%, .S'e=0,128 мг/дм3,

где С„„ - концентрация нефтепродуктов в сбросах, мг/дм3; 0 у - температура в зоне А печи отжига 1, °С; 0fj - температура в зоне D печи отжига 1, °С; 0nR^ - температура олова в 12-м пролете флоат-ванны 2, °С; - температура олова в 20-м пролете флоат-ванны 2, °С; Re2 - число Редокса, окислительно-восстановительная среда в печи 2, д/е.

- химических поглотителей кислорода

Сшк = -262,6 + 0,7(Я,оя +30,3Сса0 -0,047С^ + 33,7CAV, + + 1079,5C,o< -15Re,-0,067£>d -0,16^, +0,34^ -О.ОЗК«^ + + 29,6Я2, +О,36012Лг -\,\Se20Ri -\вкаиШ1 -44,14Я2; с оценками /^=89,23%, 5е=4,3 мг/дм3,

где Сшк - концентрация химического поглотителя кислорода в сбросах, мг/дм ; виМ] -температура стекломассы в печи 1 по показаниям 3-ей донной термопары, °С; УБФИ1 - ско-

рость бортоформующей машины печи 2; Н2 - концентрация водорода в защитной атмосфере флоат-ванны 2, %;

Проведенные исследования выявили стохастическую зависимость концентрации вредных веществ в ливневых водах стекольного завода после очистных сооружений от состава шихты и технологических режимов стадий производства листового стекла - варки, формования и отжига ленты стекла.

Охрана окружающей среды при производстве стекла связана, прежде всего, с уменьшением выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от составных цехов, стекловаренных печей, участков обработки изделий: пыли, оксида углерода СО, оксида азота N0, диоксида азота Ж>2, серы, примесей оксидов различных металлов. Построены линейные уравнения регрессии, описывающие зависимость оксида углерода СО, оксида азота N0, диоксида азота М02 в выбросах стекловаренных печей от режима варки стекла и качества загружаемой в печь шихты.

С использованием статистических данных производства листового стекла получены регрессионные уравнения, описывающие зависимость концентрации оксида углерода СО в выбросах стекловаренных печей: СОлпа = -2713,75 + 0,04^ + 151,7С»^ ~ 16,05«;

СОЛПС2 = -99,92- 85,84СОТ< +8,53 ССа0

где СОлпа - концентрация оксида углерода в выбросах печи 1; СОлпа - концентрация оксида углерода в выбросах печи 2; Qг - общий расход газа на первую стекловаренную печь, м /ч; Сс - содержание соды в шихте по массе, %; а - объемное соотношение расхода воздуха к расходу газа на горение первой стекловаренной печи; Ск - содержание карбонатов в шихте по массе, %; Схем - содержание сульфатов в шихте по массе, %.

Регрессионные уравнения адекватно описывают результаты наблюдений. Коэффициенты детерминации первого и второго уравнения равны соответственно 95,8% и 99,34%, что позволяет использовать полученные уравнения для интерпретации выявленных зависимостей.

Разработаны регрессионные модели концентрации оксида азота N0 в выбросах

МОлпа = 149,3-0,03£г + 0,46<7СМ -40,7С50,; ШЛПС2 = 125,4-0,03^ + 0,63^ - 48,43

где МОлпа - концентрация оксида азота печи 1; ЫОлпс2 - концентрация оксида азота печи 2; Сем - производительность печи по сваренной стекломассе, т/смена;

Регрессионные уравнения адекватно описывают результаты наблюдений. Коэффициенты детерминации первого и второго уравнения равны соответственно 94,2% и 87,47%, что позволяет использовать полученные уравнения для интерпретации выявленных зависимостей.

Получены регрессионные уравнения, описывающие концентрацию диоксида азота М?2 в выбросах:

N02лпc, = 59,4 - 0,0005 -1,8 С к ~ 15>96 Схо. - °.29«

тглпсг = 46,35 - 0,0067 -12,24 Сю>

где НОмпа - концентрация диоксида азота в выбросах печи 1; МОгшс.2 - концентрация диоксида азота в выбросах печи 2;

Регрессионные уравнения адекватно описывают результаты наблюдений. Коэффициенты детерминации первого и второго уравнения равны соответственно 97,5% и 85,82%, что позволяет использовать полученные уравнения для интерпретации выявленных зависимостей.

Построенные модели показывают значимое влияние режима стекловарения и состава шихты на концентрацию вредных веществ в выбросах. Разработанные модели имеют разную структуру из-за особенностей технологических режимов работы линий. Линия 1ЛПС работает в «регулировочном» режиме с частыми переходом на выработку стекол разных толщин, что приводит к колебаниям производительности и возмущениям теплового режима работы стекловаренных печей. Линия 2ЛПС характеризуется стационарным режимом работы, поэтому ряд факторов не вошли в модель концентрации выбросов второй стекловаренной печи.

Для выявления вредного влияния производства стекла на заболеваемость работников проводился статистический анализ зависимости заболеваемости работников от концентрации вредных веществ, содержащихся в сбросах и выбросах производства.

Зависимость показателей заболеваемости работников стекольного производства от концентрации вредных веществ в выбросах в атмосферу и концентрации вредных веществ в производственно-ливневой воде описывается линейными регрессионными уравнениями:

СлЗ = 4,26 + 2,7Сш + 5,2Сж - 0,13Свв - 0,14Ст + 0,63Ст2, УтТ = 6,23 + 0,06С„„ + 0,03 8Сс> - 0,039СЖ + 0,034СШ2,

где СлЗ - случаи заболевания в течение месяца в пересчете на 100 работающих; УтТ -временная утрата трудоспособности в течение месяца в пересчете на 100 работающих; С ко - усредненное значение концентрации оксида азота в выбросах, мг/дм3; Ст1 - усредненное значение концентрации диоксида азота в выбросах, мг/дм3.

Регрессионные уравнения адекватно описывают результаты наблюдений. Коэффициенты детерминации первого и второго уравнения равны соответственно 74,4% и 82,83%, что позволяет использовать полученные уравнения для интерпретации выявленных зависимостей.

Разработанные модели могут использоваться на производствах листового стекла флоат-способом при выработке корректирующих действий по уменьшению вредного воздействия производства на окружающую природную среду, а также на заболеваемость работников производста.

В третьей главе разработаны алгоритмы управления технологическим процессом производства листового стекла флоат-способом. Предложен системный подход к управлению технологическим процессом производства листового стекла, решающий задачу экономного использования энергетических и материальных ресурсов в производстве, обеспечивая высокое качество

продукции при ограничениях концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах, обеспечивая безопасные условия труда работникам производства.

Формализована задача управления технологическим процессом производства листового стекла. Определена целевая функция и ограничения. Выбран метод штрафных функций для решения сформулированной задачи

Разработаны математические модели, описывающие зависимость удельного расхода газа на ведение процесса стекловарения на первой и второй линиях:

qx = 0,208 - 0,009 Re- 0,0004GCM + 0,0018£ + О,ОООО802си q2 = 0,25 - 0,0002GC„ - 0,0015

где Re — окислительно-восстановительная среда в пламенном пространстве ванной печи (редокс), д/е; GCM - производительность стекловаренной печи, тонн/смена; S - толщина вырабатываемой ленты стекла, мм: 02см — температура стекломассы по показаниям 2-ой донной термопары, °С;

Регрессионные уравнения адекватно описывают результаты наблюдений. Коэффициенты детерминации первого и второго уравнения равны соответственно 68,2% и 63,8%, статистически значимы.

Анализ уравнений показал, что наибольшую чувствительность удельный расход газа имеет к изменению толщины и производительности вырабатываемого стекла.

Коэффициент использования стекла (КИС) является важным показателем работы технологической линии производства листового стекла и связан с выходом годного стекла. КИС рассчитывается оперативно, и эта информация используется для выработки корректирующих действий по управлению технологическим процессом на линиях 1ЛПС и 2ЛПС в ОАО «Эй Джи Си «Бор-ский стекольный завод».

Построены линейные уравнения регрессии, описывающие зависимость КИС от режима работы технологического оборудования и качества приготовления шихты:

КИС, = 489,8 - 0,077 * 0iR + 0,12 * 0пл + 0,002 *&-0,9*<5 + 8,5 * CFe2m-32,6* CN1Q КИС2 =1762,82 + 0,16 * вт + 0,116 * впк - 0,7 * вА - 0,78 * вв + 0,43 * вс --0,114*0О -4,94*9вых -21,38*Сзю + 0,26*9саш1

где 0lR - температура олова в первом пролете флоат-ванны, °С; в,г„ - температура олова в 12-м пролете флоат-ванны, °С; <2г - расход газа на ванную печь, м3/ч; S - толщина вырабатываемой ленты стекла, мм; - содержание оксида железа в стекле по массе, %; Cv/J - содержание натриевых солей в шихте по массе, %; вА - температура в зоне А печи отжига, °С; вв - температура в зоне В печи отжига, °С; 0С - температура в зоне С печи отжига, °С; 0и- температура в зоне D печи отжига, °С; - температура ленты стекла на выходе из флоат-ванны, °С; Сао - содержание оксида кремния в стекле по массе, %; 6сапа1-температура в выработочном канале печи, °С;

Регрессионные уравнения адекватно описывают результаты наблюдений. Коэффициенты детерминации моделей невысокие, равны соответственно 43,2% и 38,76%, статистически значимы при уровне значимости 0,05.

Анализ уравнений показал, что наибольшую чувствительность КИС в процессе производства имеет к изменению химического состава шихты и режима формования ленты стекла в флоат-ваннах.

Для оценки эффективности технологического процесса производства листового стекла сформирован критерий отражающий результативность, ре-сурсоемкость управления.

Критерий управления технологическим процессом производства листового стекла представлен в виде суммы (3потерь энергетических, сырьевых и материальных ресурсов на линиях 1ЛПС и 2ЛПС в процессе выработки стекла:

о = с (,))а<о(1 _шс(1))] +

<5 10 2 5

+ [ СЛ3™) + Сгд^)Пт(1 - КИС <2>)]

¿>( '10 2,5 г ^см^

где Сг - стоимость газа, руб/м3, Сс(8) - стоимость стекла толщины 5, руб/м2, Ссм - варка стекломассы, тонна в смену, ц - удельный расход газа на стекловарение, КИС - коэффициент использования стекла.

Постановка задачи управления технологическим процессом производства листового стекла выглядит следующим образом.

На каждом шаге управления, ежесуточно, минимизировать целевую функцию - затраты энергетических, сырьевых и материальных ресурсов в производстве.

При этом накладываются ограничения на качество вырабатываемого стекла на линиях 1ЛПС (/=1) и 2ЛПС (/=2):

- изменение плотности вырабатываемого стекла в течение суток, г/см : |Пл®(/-1)-Пл®(/) I <АПлмак,

где Пл ((?(,)г в{1) БФМI , 3см , Ср. п ,

), ] = 2, 3, ... - шаг принятия решений по управлению, 1-1,2 - соответствующая линия производства листового стекла. <2(,)г - расход газа на ванную печь, м3/ч; в0,л - температура в зоне А печи отжига, °С; 0"'о - температура в зоне О печи отжига, °С; 3 ° - толщина вырабатываемой ленты стекла, мм; С1:/1 - содержание калийных солей в шихте по массе,

%; ССа0 - содержание карбонатов в шихте по массе, %; С"'«, - концентрация кислорода в защитной атмосфере флоат-ванны, %; У0)бфш - скорость первой бортоформующей машины, в^\см - температура стекломассы по показаниям 1-ой донной термопары, °С; 0и)1См -температура стекломассы по показаниям 2-ой донной термопары, °С; 0''\,и -температура стекломассы по показаниям 3-ой донной термопары, °С; С,,л - содержание окиси железа

в стекле, %; С„о - нерастворимые остатки в шихте, %;

- оптические искажения, видимые в проходящем свете, угловые градусы:

Зб®^"^, 0{'\я , СР,Л, СХар , вто , 5(0, Я(02, У^ВФМ, , Яе'", , б"0,,, ) > Збми„;

где 0(,>12/! - температура олова в 12-м пролете флоат-ванны, °С; 0''\к - температура олова в первом пролете флоат-ванны, °С; С,.а 0 - содержание оксида натрия в химическом составе стекла, %. Я(,)2 - концентрация водорода в защитной атмосфере флоат-ванны, %; Яе'" - число Редокса, окислительно-восстановительная среда в печи, д/е;

- оптические искажения, видимые в отраженном свете (растр), мм:

Ра1о)(0<ош, 0«>,„, <5<'\ ССо0, сйл, Не«, 6><°с, в««., С("0г, Нюг)< Ра1мак;

где СЛОг - содержание оксида кремния в стекле по массе, %; 0"'с - температура в зоне С печи отжига, °С; - температура в выработочном канале печи, °С;

С^, С<\, Ра2мак;

где 0(,>2о« - температура олова в 20-м пролете флоат-ванны, °С; в"'н - температура в зоне В печи отжига, °С; О/А"1 - отходы в результате удаления бортов ленты стекла, %; О" -температура ленты стекла на выходе из флоат-ванны, °С;

- остаточные внутренние напряжения в стекле, нм/см:

о„„„ <а0) ( 0й,«, , д°1 , , , 0/А<", ¿><", СВЮг, />0)™ , )<амак. где Сл.О2<:01 - содержание соды в шихте по массе, %; Р0)™ - мощность повторного нагрева флоат-ванны, кВт;

Необходимо выдерживать ограничения на режимные переменные на каждой стадии производства листового стекла — варка стекла в ванных печах, формование ленты стекла, отжиг ленты стекла:

д(0 < д(0 < д(0

и см1,мин — и см1 — ^ см1,мак > д(0 < дО) дО)

и см2,мин — и см2 < ^ см2,мак ■>

д(0 < д(0 < д(0

и смЗ,мин — и смЗ — и смЗ.мак > д(0 < д(0 < д(0

0(1,12,мин ^ 0(|)!2пр ^ 0(1)

12,мак э

0^20 мин ^ 0^'гОпр - 0®2О,мак >

0О) <0(0 < 0(0

^ а,мин —^ а— а,мак?

0(,)ьм„н<0(оь<0(,)ь

Ь.мин bi а Ь.мак,

0(0 <0(0 < 0(О ^ с,мин —^ с— w с,мак?

^ d,MHH d— ^ 0,мак,

Q(i) < QÖ) < q(') V г, мин— V г— V г, мак*

Задаются ограничения на концентрацию вредных веществ в производственно-ливневой воде, мг/дм3:

- концентрация алюминия в производственно-ливневой воде:

Сал ( к ) e0)MR, Q°\ , C№;COj, CSIO] , , CSOt, Re0', , ) < С ад макс>

- концентрация сульфатов в производственно-ливневой воде:

Ссу ( 0<",Я , 0(",2«, CKfi, , <5(0, Я("2, , ) < Ссу макс,

- концентрация взвешенных веществ в производственно-ливневои воде:

СВВ(0(,)Ш,0(О2О«Сад.С^.С^, Ке(",С(0й,, в<-\., о^и., Сс"0,)<Сввма1[с,

- концентрация железа в производственно-ливневой воде:

Сж(0о)т , ви\гК, 0(О2о«,0">, ,Сл,_со>, С„„,Сса0, Яе<",, ,/>">„ ,е»>т )< Сж макс

- концентрация нефтепродуктов в производственно-ливневой воде:

Снп(Л,сВД1см>с^,Л, 0%, 0е V, 0(,)2ОВ, Яе«, С«0,)<Снпмакс

- концентрация химических поглотителей кислорода в производственно-ливневой воде:

Схпк(Ссм,С,.а1С01,СКг0,Ст4, Ке(0, 0(Оо, 0«,«., 0(оз„., Г«™,,,

Я0)2)< СХПК макс

Ограничения на концентрацию вредных веществ в выбросах, мг/дм3:

- оксид углерода:

СО®(От С а'" С С КСОй

^^ V ■ »иЛ'а2С039 » Э СаО / макс

- оксид азота:

ЫО(,) (6е0. ,о«'>„ Сет<) <Ж)0)макс

- диоксид азота:

Ы02® ,ССо0 ,а<") < Ы02® макс

Ограничения на показатели заболеваемости работников стекольного производства:

- случаи заболевания:

СлЗ (С^С^С^С*0™, С(,)лог )<СлЗ

- временная утрата трудоспособности, дни:

УтТ (С„„, С„, С'0™, )<УтТ

При решении задачи управления (планировании) заданными являются план выработки листового стекла Осм и толщина ленты стекла <5.

Четвертая глава посвящена оценке эффективности алгоритмов управления технологическим процессом в производстве листового стекла флоат-способом. Эффективность сформулированной задачи управления оценивалась методом имитационного моделирования с использованием статистических данных, полученных с производства полированного стекла ОАО «Эй Джи СИ «Борский стекольный завод». Для проведения имитационного моделирования использовалась представительная выборка, состоящая из

365 измерений со среднесуточными данными по каждому анализируемому фактору. Информация, получаемая в течение года, позволяет в полной мере представить все аспекты функционирования двух технологических линий производства листового стекла, влияние возмущающих воздействий, изменения внешней среды и др.

Управление процессом производства листового стекла с использованием алгоритма штрафных функции позволяет более экономно вести техно-

логический процесс по сравнению с ручным управлением. Сравнительные результаты процесса управления отражены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные данные процесса производства листового стекла при различных алгоритмах управления_

Показатель Предельно допустимые значения Ручной алгоритм управления Алгоритм управления

Среднее значение СКО Среднее значение СКО

КИС, ЛПС №1 % 85,28 11,17 91,52 2,65

КИС, ЛПС №2 % 86,86 6,16 94,11 2,6

Удельный расход газа, ЛПС №1 м3/кг 0,22 0,015 0,22 0,006

Удельный расход газа, ЛПС №1 м3/кг 0,2 0,01 0,2 0,006

концентрация алюминия в производственно-ливневой воде 0,259 мг/дмЗ 0,23 0,074 0,19 0,026

концентрация сульфатов в производственно-ливневой воде 33,04 мг/дмЗ 31,66 7,54 27,19 0,99

концентрация взвешенных веществ в производственно-ливневой воде 9,73 мг/дмЗ 6,64 4,97 8,3 1,08

концентрация железа в производственно-ливневой воде 0,65 мг/дмЗ 0,54 0,14 0,55 0,032

концентрация нефтепродуктов в производственно-ливневой воде 0,29 мг/дмЗ 0,47 0,2 0,33 0,096

концентрация оксида азота в выбросах, ЛПС №1 46,8 мг/дмЗ 19,35 8,82 22,27 5,65

концентрация оксида азота в выбросах, ЛПС №2 49,98 мг/дмЗ 18,9 2,63 18,47 2,45

концентрация диоксида азота в выбросах, ЛПС №1 6,18 мг/дмЗ 2,15 1,44 2,25 1,36

концентрация диоксида азота в выбросах, ЛПС №2 6,98 мг/дмЗ 0,82 0,44 0,83 0,38

концентрация оксида углерода в выбросах, ЛПС №1 3,16 мг/дмЗ 13,73 11,62 13,48 7,81

концентрация оксида углерода в выбросах, ЛПС №2 3,88 мг/дмЗ 2,08 1,76 2,27 1,05

случаи заболевания 11,03 1,35 11,6 0,34

временная утрата трудоспособности 5,05 1,4 5,24 1,17

оптические искажения, видимые в проходящем свете (Зебра), ЛПС№1 50 град 51,9 7,08 49,69 6,48

оптические искажения, видимые в проходящем свете (Зебра), ЛПС №2 50 град 69,1 2,24 68,05 2,32

оптические искажения, видимые в отраженном свете (растр 1), ЛПС№1 4 мм 4,29 1,7 1,92 0,67

оптические искажения, видимые в отраженном свете (растр 1), ЛПС №2 4 мм 3,52 1,14 3,66 0,7

оптические искажения, видимые в отраженном свете (растр2), ЛПС№1 4 мм 1,91 1,27 1,84 0,56

оптические искажения, видимые в отраженном свете (растр2), ЛПС №2 4 мм 1,03 0,39 2,88 0,32

Имитационное моделирование алгоритмов управления технологическим процессом производства стекла подтвердило возможность более экономного использования сырьевых и энергетических ресурсов в производстве листового стекла флоат-способом на действующем технологическом оборудовании при сохранении высокого качества вырабатываемого стекла и ограничениях негативного воздействии производства на окружающую среду.

Разработанный алгоритм ис- (й^

пользуется в СППР в производстве / ^

листового стекла. Структурная схема \

Рисунок 3 - Схема работы СППР Разработана методика оценки эффективности системы поддержки принятия решений при управлении технологическим процессом производства листового стекла, учитывающая случайных характер принимаемых решений человеком в контуре управления. Действия ЛПР по принятию решений по корректировке режимов работы технологического оборудования 1ЛПС и 2ЛПС моделировались бинарным случайным процессом с вероятностью р. С помощью вычислительного эксперимента оценивалась эффективность функционирования системы при различных вероятностях принятия и реализации ЛПР «советов» СППР по корректировке технологических режимов. Результаты имитационного моделирования приведены в таблице 2.

Таблица 2. Изменение усредненных показателей процесса выработки листового стекла в % в зависимости от вероятности принятия ЛПР «советов», выдаваемых СППР _

Показатели процесса выработки стекла Параметры при ручном управлении, /7=0 Изменение показателей при вероятности принятия ЛПР «советов» Автоматическое управление, р= 1,0

р=0,2 /7=0,4 />=0,6 р=0,8

Коэффициент использования стекла 1ЛПС 85,28 % 1,45 3,12 4,39 5,91 7,33

Коэффициент использования стекла 2 Л ПС 86,86% 1,54 3,66 4,71 6,78 8,4

Удельный расход газа 1ЛПС 0,218 м3/кг 0,57 0,97 1,04 1,40 1,77

Оптические искажения, видимые в проходящем свете 1ЛПС 51,9 угловые градусы -1,03 -1,98 -2,18 -3,61 -4,56

Оптические искажения, видимые в проходящем свете 2ЛПС 61,9 угловые градусы -0,18 -0,52 -0,09 -1,27 -1,47

Оптические искажения, видимые в отраженном свете 1ЛПС 4,29 мм -10,25 -21,8 -33,16 -46,13 -55,4

Оптические искажения, видимые в отраженном свете 2ЛПС 3,52 мм 0,87 1,08 2,6 3,44 3,9

Концентрация сульфатов в производственно-ливневой воде 31,66 мг/дм3 -2,9 -5,59 -7,8 -11,39 -14,12

Вычислительный эксперимент показал, что с уменьшением вероятности принимаемых и реализуемых ЛПР «советов» СППР, снижается эффективность корректирующих действий по управлению технологическим процессом. При вероятностях принимаемых ЛПР «советов», меньших 0,4, существенно снижается эффективность корректирующих действий ЛПР.

Для повышения эффективности управления технологическим процессом производства листового стекла ЛПР должен принимать более 40% советов, выдаваемых СППР. При этом можно ожидать улучшения технико-экономических показателей производства листового стекла на имеющемся технологическом оборудовании.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен системный подход к управлению технологическим процессом производства листового стекла, решающий задачу экономного использования энергетических и материальных ресурсов в производстве, обеспечивая высокое качество продукции при ограничениях концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах, обеспечивая безопасные условия труда работникам производства.

2. Разработаны математические модели, описывающие зависимость коэффициента использования стекла (КИС) и удельного расхода газа в производстве листового стекла флоат-способом. Показано, что наибольшую чувствительность КИС в процессе производства имеет к изменению химического состава шихты и режима формования ленты стекла в флоат-ваннах, а удельный расход газа - к изменению толщины и производительности вырабатываемого стекла.

3. Получены регрессионные уравнения, адекватно описывающие зависимость концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах от режимов работы технологического оборудования в производстве стекла. Показано, что заболеваемость работников производства зависит от концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах производства.

4. Формализована задача управления производством листового стекла. Определены целевая функция, представленная функцией штрафа и ограничения, накладываемые на диапазон изменения режимных переменных стадий производства стекла. Разработаны алгоритмы управления технологическим процессом, подтверждена их эффективность имитационным моделированием с использованием данных, полученных с действующего производства листового стекла. Показано, что автоматическое управление позволяет увеличить коэффициент использования стекла в производстве на 7-8% при высоком качестве продукции и ограниченном воздействии на окружающую среду.

5. Разработана методика оценки эффективности системы поддержки принятия решений при управлении технологическим процессом производства листового стекла, учитывающая случайных характер принимаемых решений человеком в контуре управления. Показано, что при использовании ЛПР для корректировки технологического режима более 40% «советов», выдаваемых системой, использование СППР для управления технологическим процессом производства листового стекла оправдано.

6. Результаты диссертационного исследования имеют практическую значимость для стекольных заводов отрасли в производстве листового стекла флоат-способом. Разработанные математические модели, описывающие технологический процесс производства листового стекла, предложенные алгоритмы управления позволяют экономно использовать сырьевые и энергетические ресурсы в производстве, вырабатывать стекло высокого качества при ограничении вредного воздействия производства на окружающую среду.

IV. СПИСОК РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях из перечня ВАК:

1. Мокляченко, A.B. Оценка негативного влияния процесса стекловарения на окружающую природную среду / A.B. Мокляченко // Вестник Костромского гос. ун-та имени Н.А.Некрасова. Серия: Технические и естественные науки «Системный анализ. Теория и практика». - 2010. - № 1. - С. 75 - 76.

2. Мокляченко, A.B. Системный подход к управлению технологическим процессом производства листового стекла / A.B. Мокляченко, Р.И. Макаров // ж. «Стекло и керамика». - 2012. - №6. - С.1-3.

В прочих изданиях:

3. Мокляченко, A.B. К вопросу управления процессом стекловарения в процессе производства листового стекла / A.B. Мокляченко // Трансформация экономики регионов в условиях устойчивого развития: теория и практика. Материалы межвузовской научно-практической конференции. ВЗФЭИ, г. Владимир - 2008г. - С.232-235

4. Мокляченко, A.B. К вопросу управления качеством и экологической безопасностью в стекольном производстве / A.B. Мокляченко // Сборник трудов конференции Школы молодых ученых на базе Тамбовского государственного технического университета. -2008г. - С. 243-245

5. Мокляченко, A.B. К вопросу выбора оценки эффективности функционирования системы промышленного менеджмента / A.B. Мокляченко // Вестник филиала ВЗФЭИ, г. Владимир - 2009г. - с.225-227

6. Мокляченко, A.B. К вопросу оценки качества интегрированной системы управления производства полированного стекла / A.B. Мокляченко // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-22: Сборник трудов конференции Школы молодых ученых (ШМУ-14) - 2009г. - с. 144-146

7. Мокляченко, A.B. Системный подход к управлению производством листового стекла / Р.И. Макаров, A.B. Мокляченко // Социально-экономические системы: особенности развития, функционирования и управления в условиях инновационной направленности: сборник материалов межвузовской научно-практической конференции, филиал ВЗФЭИ, г. Владимир - 2010г. - с.204-206

8. Мокляченко, A.B. Структуризация целей и функций управления технологическими процессами производства листового стекла / Р.И. Макаров, A.B. Мокляченко // Реинжиниринг технологических, организационных и управленческих процессов как основа модернизации экономики регионов: материалы конференции, Костромской государственный университет имени Н.А.Некрасова, г. Кострома - 2010г. - с. 113-119

9. Мокляченко, A.B. Анализ воздействия вредных веществ на заболеваемость сотрудников / A.B. Мокляченко // Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-23: сб. трудов XXIII Междунар. научн. конф.: в 12 т. Т. 6. Секция 7, под общ. ред. B.C. Балакирева. - Саратов: Сарат. гос. ун-т - 2010г. - С. 165-167.

10. Мокляченко, A.B. Формализация задачи управления технологическим процессом производства листового стекла флоат-способом / A.B. Мокляченко, Р.И. Макаров // Алгоритмы, методы и системы обработки данных, Муромский институт (филиал) ГОУ ВПО ВлГУ - 20Юг. - с. 118-123.

11. Мокляченко, A.B. Анализ негативного воздействия производства на окружающую природную среду / Р.И. Макаров, A.B. Мокляченко // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар. научн. конф.: в 10 т. Т. 4. Секция 4 / под общ. ред. B.C. Балакирева. - Киев: Национ. Техн. Ун-т Украины «КПИ» -2011г.-С.89-91.

12. Мокляченко, A.B. Подходы к управлению технологическим процессом производства листового стекла / A.B. Мокляченко // Сборник ВЗФЭИ, г. Владимир - 2011г. -с. 125-127.

Подписано в печать 23.04.2013. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ 832 - 2013 г.

Отпечатано с готового оригинал-макета в AHO «Типография на Нижегородской» 600020, Б. Нижегородская, 88-Д.