автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Аппаратно-программное обеспечение лабораторно-информационной управляющей системы углехимических предприятий

На правах рукописи

АРЦЕР ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

АППАРАТНО-ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЛАБОРАТОРНО - ИНФОРМАЦИОННОЙ УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ УГЛЕХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2006

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Светлаков Анатолий Антонович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Сырямкиин Владимир Иванович кандидат технических наук Станкевич Александр Степанович

Ведущая организация - ОАО «Западно - Сибирский Испытательный

Центр» г. Новокузнецк

Защита состоится «28» декабря 2006 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.212.268.02 Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) по адресу: 634004, г. Томск, ул. Белинского, д. 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: г. Томск, ул. Вершинина, д. 74.

Автореферат разослан «28» ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Клименко А. Я.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные информационные технологии и компьютерные телекоммуникации открывают принципиально новые возможности формирования единого информационного пространства для решения научно-практических задач химических лабораторий предприятий добычи и переработки угля. В настоящее время технические и технологические возможности позволяют обеспечивать новую информационно- инструментальную поддержку лабораторных научно-практических исследований. Появляется возможность создавать информационные системы, объединяющие эмпирический и математический уровни, что позволяет работать по единой технологии, как с экспериментальными данными, так и с математическими моделями вычислительного эксперимента.

В настоящее время химические лабораторные комплексы угольной отрасли страны переживают новую эпоху информационно-технической реорганизации. Это обусловливается следующими факторами:

1) значительное увеличение нагрузки на центральные углехимические лаборатории из-за высокого сокращения лабораторных комплексов, непосредственно принадлежащих угольным предприятиям;

2) повышение требований к качеству проводимых анализов угля шахт и углеразрезов со стороны различных комбинатов переработки и конечных потребителей угольного топлива.

Необходимо кардинально решить проблему качественного управления лабораториями центрального звена углехимических предприятий с применением современных информационных технологий и специализированного аппаратно — программного обеспечения. На сегодняшний день парк аналитического оборудования, установленный в большинстве углехимических лабораторий, значительно устарел, что приводит зачастую к неадекватным результатам производимых измерений параметров качества угольного сырья.

Цель работы: создание качественного аппаратно — программного обеспечения для реализации и внедрения новой автоматизированной информационной системы углехимического предприятия отвечающей основным концепциям построения лабораторных информационно - менеджменских систем (ЛИМС), применяемых для эффективного управления и мониторинга деятельности предприятия.

Достижение указанной цели обеспечивается постановкой и решением следующих основных задач:

1) проведение комплексного анализа деятельности современных углехимических лабораторий на всех основных уровнях концепции ЛИМС;

2) выделение основных видов деятельности подлежащих полной либо частичной автоматизации;

3) разработка модели ЛИМС углехимического предприятия с применением современных инструментальных средств проектирования информационных систем;

4) создание аналитического описания экспериментальных данных с применением обыкновенных дифференциальных уравнений и алгоритма чувствительности.

5) разработка полного пакета программного обеспечения ЛИМС углехимическо-го предприятия;

6) создание аппаратных средств автоматизации существующего оборудования углехимических лабораторий;

7) создание и внедрение в народное хозяйство ЛИМС углехимического предприятия с применением образцов разработанного аппаратно - программного обеспечения.

В настоящее время, на наш взгляд, средств полностью отвечающей требованиям ЛИМС углехимического предприятия, не существует.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Технология и средства создания ЛИМС углехимических предприятий, объединяющие аппаратное и программное обеспечения автоматизации испытательных лабораторий.

2. Результаты информационного моделирования лабораторных систем с использованием инструментального средства Rational Rose.

3. Технологические подходы к формированию, использованию и обновлению единой информационной базы данных углехимической лаборатории.

4. Практическая реализация ЛИМС углехимического предприятия.

5. Практическая реализация интерфейса сопряжения калориметрического аппарата В08 — МА, на основе цифрового вольтметра Щ1516, с вычислительной системой лабораторного комплекса.

Научная новизна работы заключается в том что, выполнена и решена научная проблема разработки теоретических основ построения и средств реализации лабораторной информационно — менеджментской системы углехимического предприятия путем создания нового аппаратно — программного обеспечения автоматизации и применения основных-принципов-построейия лабораторных информационно — менеджментских систем.

В частности:

1. Создана информационно — техническая модель современной лабораторной информационно — менеджментской системы углехимического предприятия с применением, как объектно-ориентированного CASE — средства Rational Rose, так проведенного комплексного исследования деятельности испытательной лаборатории и выявленных видов деятельности, подлежащих полной либо частичной автоматизации с применением новых, как программных, так и аппаратных средств.

2. На основе обыкновенных дифференциальных уравнений и алгоритма чувствительности разработана методика прогноза данных калориметрического процесса. Это позволило, без снижения точности определений теплоты сгорания, примерно на 30 - 40 % сократить время выполнения калориметрического процесса.

Практическая значимость. Предложенная система информационно - технического управления испытательными лабораториями угольных предприятий, позволяет вывести лабораторные комплексы на качественно новый уровень работы. Внедрение ЛИМС способствует увеличению основных показателей деятельности таких, как качество и точность проводимых измерений, планомерное

управление испытательной лабораторией, сокращение времени проведения полного комплекса испытаний, формирование отчетности в соответствии с принятыми нормативными документами.

Проведенная оценка экономической эффективности позволяет видеть, что трудозатраты сотрудников, связанные с проведением испытаний проб углей в уг-лехимической лаборатории и обработкой их результатов с применением разработанной ЛИМС, сокращаются в среднем на 50%, что подтверждено соответствующим актом.

Разработанное аппаратное и программное обеспечение для автоматизации широко распространенного калориметрического аппарата В-08МА с цифровым вольтметром Щ1516 существенно сокращает трудозатраты сотрудников на проведение калориметрического процесса.

Апробация работы. Основная часть представленной на рассмотрение диссертационной работы выполнена лично Арцером П. А., что подтверждается публикацией результатов в приведенных научных трудах. Основные результаты работы отражены в 10 публикациях: 1 статье в журнале, рекомендованном ВАК; 1 депонированной в ВИНИТИ рукописи; 1 зарегистрированной разработке в отраслевом фонде алгоритмов и программ; 5 публикациях в рецензируемых сборниках трудов конференций, из них 2 публикации были представлены в зарубежных изданиях.

Внедрение результатов работы. Разработанная лабораторная информационно — менеджменская система успешно внедрена на ООО «Центральная углехи-мическая лаборатория г. Прокрпьевска» Кемеровской области. Весь комплекс ап-паратно — программного обеспечения ЛИМС углехимического предприятия прошел экспертную проверку в российском представительстве голландской фирмы «INCOLAB» в г. Прокопьевске.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 82 наименований и 6 приложений. Она содержит 150 страниц машинописного текста, 7 таблиц и 27 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, сформулированы ее цели и задачи исследований, а также полученные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе дается обзор общей базовой концепции построения лабораторных информационно — менеджменских систем (ЛИСМ). Приведена история развития ЛИСМ упорядоченные по четырем поколения. Рассмотрены основные виды деятельности лабораторных комплексов и выявлены направления работы, подлежащие полной, либо частичной автоматизации.

Приведена общая структура построения корпоративной ЛИМС состоящей из трех уровней автоматизации деятельности испытательных лаборатории, с полным описанием каждого уровня. Рассмотрены основные возможности и перспек-

тивы внедрения ЛИМС в испытательных лабораторных комплексах любых отраслей.

История лабораторных информационно — менеджменских систем (ЛИМС) насчитывает не менее 30 лет. Первые по настоящему коммерческие решения были введены в практику в 80-е годы.

Приведём краткую хронологию развития ЛИМС.

До 1982 г. Для регистрации данных и генерации отчётов использовались лабораторные тетради (журналы) и рукописные таблицы (сводки). Информационные лабораторные системы собственного производства конфигурировались под нужды нескольких лабораторий. Появились изготовленные под заказ ЛИМС третьих фирм-производителей.

1982 г. Предложены первые коммерческие ЛИМС, известные как ЛИМС первого поколения. В данных ЛИМС лабораторные функции размещались на отдельном миникомпыотере, обеспечивая в результате более высокую производительность, также как и первые автоматизированные отчёты.

1988 г. Стали доступны ЛИМС второго поколения. Чтобы реализовать специфические для приложения решения, данные ЛИМС использовали доступную на рынке технологию коммерческих реляционных баз данных третьих фирм. -

1991 г. Переход к открытым системам, объявленным в ЛИМС третьего поколения. В начавшей применяться клиент/серверной конфигурации присущая ПК лёгкость интерфейса и стандартизованные панели инструментов сочетались с мощью и защищённостью миникомпьютерных серверов.

1995 г. ЛИМС четвёртого поколения ещё дальше децентрализовали архитектуру. Обработка данных стала возможной в любой точке сети. Это означает, что все клиенты и серверы могут выступать в любом из этих качеств в зависимости от данных, загруженных в конкретной ситуации. ЛИМС данного поколения базируются на распределённой сетевой архитектуре, включая возможности Internet и Intranet технологий.

Определение лабораторных информационно — менеджменских систем. Лабораторная Информационно — Менеджменская Система (ЛИМС) — это информационная технология, предназначенная для получения достоверной информации по результатам проведения испытаний и управления разнообразной лабораторной информацией с целью ее использования для принятия управленческих решений. ЛИМС — класс программного и аппаратного обеспечения, предназначенных для управления различными аспектами лабораторной деятельности, а именно: образцами исследования, приборно-инструментальным парком, стандартами и реагентами, нормативными документами, отчетными формами, вопросами доступа к информации и персоналом.

Особенности ЛИМС заключаются в том, что их использование в исследовательских лабораториях предприятий кардинально меняет управление в целом лабораторией, став информационным ядром контроля производимых исследований образцов продукции и системы качества измерений. Корпоративные ЛИМС состоят из трех основных уровней автоматизации деятельности лаборатории (рис.1):

Уровень управления лабораторией

Директор лаборатории

Центральный диспетчерский отдел

Ведущие сотрудники лаборатории

Уровень администрирования п качественного контроля

Администратор ЛИМС

Заведующий лаборатории

Рядовые сотрудники лаборатории

Уровень ввода и хранения информации

Места ручного ввода Автаматизированные. Сервера хранения и

данных рабочие места обработки данных

Я, р ёш т ШчЗ,

А г* >

Х21

Вычислительная сеть лаборатории

Рис. 1. Общая структура построения ЛИМС

Основными функциями ЛИМС в лабораториях любого профиля, будь то лаборатория угольного предприятия с соблюдением жестких нормативных требований, или испытательная лаборатория какого-либо предприятия другой отрасли, являются следующие функции:

1. Автоматизация лабораторных рабочих мест в соответствии с выполняемыми на них операциями.

2. Объединение всех рабочих мест лаборатории в единую информационно-вычислительную сеть лаборатории. ■

3. Включение в информационную сеть лаборатории всех аналитических приборов и осуществление автоматического ввода данных и управления.

4. Включение лаборатории в единую корпоративную информационно — вычислительную сеть предприятия с целью создания единого информационного документооборота. 1

5. Единая регистрация образцов в системе с возможностью прослеживания полного цикла производимых испытаний.

6. Создание распределенных задач для всех рабочих мест лаборатории.

7. Плановый учет и контроль деятельности испытательной лаборатории.

8. Подготовка и выдача необходимых отчетных документов: сертификатов, паспортов, сводной аналитической документации.

9. Изменение конфигурации системы в соответствии с появлением новых и изменением имеющихся методов работы лабораторий.

10. Возможность совместной работы с любыми другими средствами и системами автоматизации лабораторных исследований.

11. Встроенная система безопасности, исключающая несанкционированный доступ к информации лаборатории.

12. Защищенное хранение и архивирование лабораторной информации за весь или определенный период деятельности.

В настоявшей работе взята за основу описанная в данной главе универсальная трехуровневая структура построения специализированной ЛИМС для угле-химической промышленности. Проведя обзор работ по автоматизации деятельности в данном секторе промышленности, было выявлено, что систем, удовлетворяющих общим понятиям ЛИМС, не существует. Работы, проводимые отделами АСУ в течение трех десятков лет в различных институтах угольной промышленности, практически полностью были остановлены в начале 90-х годов.

Во второй главе рассмотрены тенденции развития современных средств проектирования информационных систем. Дано определение термина CASE (Computer Aided Software Engineering) — средств. Приведена базовая методология проектирования информационных систем. Рассмотрена сущность структурного подхода к проектированию информационных систем.

Дана общая характеристика и классификация CASE - средств. Проведен обзор основных программно-инструментальных средств проектирования информационных систем.

С учетом приведенных характеристик CASE — средств, и рассмотренной классификации критериев выбора средств проектирования ЛИМС выбрана система Rational Rose для проектирования лабораторно — информационной системы углехимического предприятия.

Проведено моделирование ЛИМС и построены пакетные диаграммы вариантов использования и диаграммы последовательностей процессов испытаний, проводимых в углехимической лаборатории. Также построены основные кооперативные диаграммы ЛИМС углехимического предприятия.

Тенденции развития современных информационных технологий приводят к постоянному возрастанию сложности информационных систем (ИС), создаваемых в различных областях экономики. Современные крупные проекты ИС характеризуются, как правило, следующими особенностями:

1. Сложность описания (достаточно большое количество функций, процессов, элементов данных и сложные взаимосвязи между ними), требующая тщательного моделирования, анализа данных и процессов.

2. Наличие совокупности тесно взаимодействующих компонентов (подсистем), имеющих свои локальные задачи и цели функционирования, например, традиционных приложений, связанных с обработкой транзакций и решением регламентных задач, и приложений аналитической обработки (поддержки принятия решений), использующих нерегламентированные запросы к данным большого объема.

3. Отсутствие прямых аналогов, ограничивающее возможность использования каких-либо типовых проектных решений й прикладных систем.

4.. Необходимость интеграции существующих и вновь разрабатываемых приложений.

5. Разобщенность и разнородность отдельных групп разработчиков по уровню квалификации и сложившимся традициям использования тех или иных инструментальных средств.

6. Существенная временная протяженность проекта, обусловленная, с одной стороны, ограниченными возможностями коллектива разработчиков, и, с другой стороны, масштабами организации-заказчика, а также различной степенью готовности отдельных ее подразделений к внедрению ИС.

Для успешной реализации проекта объект проектирования (ИС) должен быть, прежде всего, адекватно описан, должны быть построены полные и непротиворечивые функциональные и информационные модели ИС. Накопленный к настоящему времени опыт проектирования ИС показывает, что это логически сложная, трудоемкая и длительная по времени работа, требующая высокой квалификации участвующих в ней специалистов.

Перечисленные факторы способствовали появлению программно-технологических средств специального класса - САБЕ-средств, реализующих САБЕ-технологию создания и сопровождения ИС. Первоначальное значение термина САБЕ, ограниченное вопросами автоматизации разработки только лишь программного обеспечения (ПО), в настоящее время приобрело новый смысл, охватывающий процесс разработки сложных ИС в целом. Теперь под термином СА8Е-средства понимаются программные средства, поддерживающие процессы создания и сопровождения ИС, включая анализ и формулировку требований, проектирование прикладного ПО и баз данных, генерацию кода, тестирование, документирование, обеспечение качества, конфигурационное управление и управление проектом, а также другие процессы. САБЕ-средства вместе с системным ПО и техническими средствами образуют полную среду разработки ИС.

Все наиболее распространенные методологии структурного подхода базируются на ряде общих принципов. В качестве двух базовых принципов используются следующие:

1) принцип декомпозиции -принцип решения сложных проблем путем их разбиения на множество меньших независимых задач, доступных для понимания и решения;

2) принцип иерархического упорядочивания - принцип организации составных частей проблемы в иерархические древовидные структуры с добавлением новых деталей на каждом уровне.

Наиболее трудоемкими этапами разработки ИС являются этапы анализа и проектирования, в процессе которых CASE-средства обеспечивают качество принимаемых технических решений и подготовку проектной документации. При этом большую роль играют методы визуального представления информации. Это предполагает построение структурных или иных диаграмм в реальном масштабе времени, использование многообразной цветовой палитры, сквозную проверку синтаксических правил. Графические средства моделирования предметной области позволяют разработчикам в наглядном виде изучать существующую ИС, перестраивать ее в соответствии с поставленными целями и имеющимися ограничениями.

В общем случае стратегия выбора CASE - средств для конкретного применения зависит от целей, потребностей и ограничений будущего проекта ЛИС, которые, в свою очередь, определяют используемую методологию проектирования.

На наш взгляд, с учетом приведенных в диссертационной работе характеристик CASE - средств, и классификации критериев выбора средства проектирования ЛИМС можно утверждать, что для разработки ИС углехимической лаборатории наиболее эффективным является применение объектно - ориентированного CASE — средства в частности системы Rational Rose компании Rational Software Corporation (США) - предназначеного для автоматизации этапов анализа и проектирования ПО, а также для генерации кодов на различных языках и выпуска проектной документации. Rational Rose использует синтез-методологию объектно-ориентированного анализа и проектирования. Разработанная универсальная нотация для моделирования объектов (UML - Unified Modeling Language) претендует на роль стандарта в области объектно-ориентированного анализа и проектирования.

В основе работы Rational Rose лежит построение различного рода диаграмм и спецификаций, определяющих логическую и физическую структуры модели, ее статические и динамические аспекты. В их число входят диаграммы классов, состояний, сценариев, модулей, процессов.

Диаграмма вариантов использования предназначена для отображения взаимодействия между вариантами использования, представляющими функции системы, и действующими лицами, представляющими людей или системы, получающие или передающие информацию в данную систему. Она отражает требования к системе с точки зрения пользователя. Таким образом, варианты использования - это функции, выполняемые системой, а действующие лица — это заинтересованные лица по отношению к создаваемой системе.

Диаграммы вариантов использования могут объединяться в пакеты. Общая пакетная диаграмма вариантов использования деятельности сотрудников углехимической лаборатории представлена на рис. 2.

Сотрудник лаборатории

Расчет показателей качества

X-

*о

Старший сотрудник . К°"Ч>°"Ь ««»Рений

Диспетчер

Разработка отчетной докуметации

Ппвнирование и контроль пробоотбора

Регистрация проб

Рис. 2. Пакетная диаграмма вариантов использования деятельности сотрудников лаборатории

На данной диаграмме вариантов использования деятельности сотрудников лаборатории представлены основные виды работ углехимической лаборатории.

Диаграмма последовательности отражает поток событий, происходящих в рамках варианта использования. В верхней части диаграммы показаны все действующие лица и объекты, требуемые системе для выполнения варианта использования. Стрелки соответствуют сообщениям, передаваемым между действующим лицом и объектом или между объектами для выполнения требуемых функций.

Рис. 3. Диаграмма последовательности калориметрического процесса

Диаграмма последовательности, представленная на рис. 3 отражает поток событий автоматизированного калориметрического процесса. Основными действующими лицами и объектами данной диаграммы являются: сотрудник лаборатории — специалист отдела проведения калориметрических анализов; калориметрический аппарат — установка проведения калориметрического процесса с дополнительными аппаратными средствами автоматизации основных функций прибора; автоматизированное рабочее место калориметрического процесса —состоящее из вычислительной машины подключенной к локальной сети лаборатории, и специализированного программного обеспечения ЛИМС; база данных — хранилище данных ЛИМС.

Кооперативные диаграммы отражают ту же самую информацию, что и диа-граммц последовательности. Если диаграмма последовательности показывает взаимодействие между действующими лицами и объектами во времени, то на кооперативной диаграмме связь со временем отсутствует.

Кооперативная диаграмма лабораторно — информационной системы углехи-мической лаборатории с автоматизированными рабочими местами сотрудников лаборатории и диспетчера представлена на рис. 4. -

2: Сожри № ш мрагнстрироаанмой пробы

Баур дднны* ■

А-

17: Регистрация пластоматричаскога им«я ранил 19: Ввод даннш

18: Сохранение юмаранмя 20: Сохранение дшмых

22 Показами лласттесиого слоя : Сотрудник лаборатории

АРМ ППЙ0Т0М*1р№«СК0ГР

......„;

21: Знача пластического слоя

29: Покамния массы пробы : Сотру днищ лаборатории

Я-

30: Регистра до иммрения влаги

31: Сократа ишарания

: Сотру днис лаборатории

34: Покаммм алвгм

32: Данные до и посла сушки 33: Значение алаги

48: Представление рефпастограммы аотрмал* 47: Значения рафлаитпграимы аитринита

: Сотрудник /«боратории

Рис. 4. Кооперативная диаграмма рабочих мест сотрудников

Кооперативная диаграмма лабораторно - информационной системы углехи-мической лаборатории с автоматизированными рабочими местами старших сотрудников представленная на рис. 5.

1: Выбор анализа 2: Запрос анализов

: Стярций сотрудник

Рис. 5. Кооперативная диаграмма рабочих мест старших сотрудников

Проведя анализ деятельности ряда углехимических лабораторий Кузбасса, удалось выявить потребность в том, чтобы создать наиболее общие кооперативные диаграммы лабораторно — информационной системы применимые к любой лаборатории химии угля.

Проведенное моделирование ЛИМС углехимического предприятия на системе Rational Rose дает возможность дальнейшей планомерной программно — технической разработки. На основе инструментального CASE средства Rational Rose построены все необходимые диаграммы, используемые в дальнейшем при разработке ЛИС. В данной главе проведено моделирование информационной системы основных методов анализов проводимых углехимической лаборатории.

В третьей главе рассматриваются основные математические методы обработки результатов испытаний углехимических лабораторий. Основными показателями качества угля являются расчетные данные ца четыре основных состояния топлива. Приведены основные определения данных состояний и соответствующая таблица сводных показателей качества угля.

Предложен алгоритм аналитического описания экспериментальных данных одного из основных процессов, проводимых углехимическими лабораториями — анализа теплотворной способности угля. Показано, что с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений с коэффициентами, найденными с применением алгоритма чувствительности, можно достаточно адекватно описать калориметрический процесс любой пробы угля.

Использование данных математических методов обработки результатов испытаний является неотъемлемой частью разрабатываемой лабораторно - инфор-

мационной системы и позволяет сформулировать и решить задачу прогноза длительности процесса и теплотворной способности угля. Что позволяет существенно сократить длительности процесса анализа и, тем самым, повысить производительность калориметрического оборудования и обслуживающих его сотрудников углехимической лаборатории.

При разработке лабораторно — информационной системы углехимического предприятия необходимо учитывать все проводимые расчеты параметров качества угля. Данные сводные характеристики являются результирующей выходной информацией лаборатории. В таблице 1 приведен сводный список измеряемых параметров.

Таблица 1. Сводная таблица результатов испытаний

Состояние топлива

Параметр аналитическое, сухое, сухое беззолыюе, рабочее,

а (1 (1аГ г

Общая влага, % - - - V/,'

Влага аналитическая, % \уа • - - -

Зольность, % А* А*1 - А'

Выход летучих веществ, % V1 V" V'

Высшая теплота, ккал/кг С?,' 0.Г 0/

Низшая теплота, ккал/кг - 0,'

Общая сера, % Б" 8а - 8Г

Водород % - На - -

Одним из основных параметров качества угольного сырья является теплотворная способность угля. Данный анализ проводится па калориметрических установках и занимает значительную долю времени проведения всего процесса исследования угля. Для сокращения длительности данного процесса, совместно с аспирантами кафедры ИИТ ТУСУРа разработан метод аналитического описания экспериментальных данных калориметрического анализа теплотворной способности угля, основанный на использовании в качестве аппроксимирующих функций решений обыкновенных дифференциальных уравнений и широко известного алгоритма чувствительности Оценивания их порядков и коэффициентов. Наличие подобного описания открывает, широкие возможности для формулирования задачи прогнозирования и управления длительностью процесса калориметрического анализа проб угля, что, в свою очередь, позволяет существенно ускорить данный процесс и сократить его длительность.

Будем считать, что, выбирая должным образом, порядок л и подбирая значения коэффициентов а,,а2.....е.,., с помощью алгоритма чувствительности, можно получить единственное дифференциальное уравнение вида

<гт <1Т , <]2Т еГ*Т /1 \

ОТ А <Й ф,г4

решение Т = T(i) которого с удовлетворяющей наши потребности точностью описывает зависимость средней температуры Т калориметрической установки от времени I.

Будем предполагать, что у нас имеется некоторое конечное число N пар измерений вида

/(,7;,Í = ÜV, ' (2)

где /, - время, а Т, - среднее значение температуры и удовлетворяющее равенству '

Т,=Т^е,. (3)

Здесь Т, - истинное, неизвестное нам среднее значение температуры, а е, -неизвестное значение ошибки его измерения.

Для количественной оценки погрешностей описания имеющихся у нас измеренных значений J% i = , функциями Т = T(t) будем использовать так называемую евклидову метрику s, определяемую равенством

S = (4)

í-i

где /,- значение времени, при котором в соответствии с обозначениями (2) измеренное значение средней температуры калориметрической установки равно Т,, / = рУ.

Рассмотрим более подробно описание экспериментальных данных калориметрического анализа угля с применением обыкновенных дифференциальных уравнений и алгоритма чувствительности.

Представленная на рис. 6 кривая, построена на основе экспериментальных данных калориметрического процесса проведенного углехимической лаборатории.

Рис. 6. Изменение температуры калориметрического процесса

Здесь

I - время калориметрии, мин

Т— показания вольтметра калориметрического аппарата пропорциональные температуре.

Задача заключается в том, чтобы, используя дифференциальное уравнение вида (1) и изменяя при этом его порядок (начиная с первого), попытаться описать заданную на рисунке 6 кривую о наиболее высокой точностью. Ниже приведены три случая выбора порядка дифференциального уравнения и результаты

описания отмеченных выше экспериментальных измерений с помощью решения - данных уравнений.

Рассмотрим дифференциальное уравнение первого порядка

На рис. 7 приведен полученный график, представляющий решение данного дифференциального уравнения.

Рис. 7. Описание кривой дифференциальным уравнением первого порядка

Как видно из данного рисунка, кривая, соответствующая решению полученного уравнения (5), не адекватна кривой построенной по экспериментальным данным. Заметим, что здесь и на всех других рисунках, приведенных ниже, полученная кривая изображается жирными линиями, а кривая, построенная по экспериментальным данным, — тонкой. Рассмотрим теперь дифференциальное уравнение второго порядка вида

с!'Т _ еГГ

—Т+а1-+а3,. (6)

График, соответствующий решению этого дифференциального уравнения, приведен на рис. 8.

Рис. 8. Описание кривой дифференциальным уравнением второго порядка

Из данного рисунка непосредственно видно, что кривая, описывающая решение уравнения (6), существенно ближе к экспериментальной кривой, чем это имело место в предшествующем случае. В частности, на интервале [0.4, 1.5] значений I данные кривые практически совпадают. Однако при />1.5 мин увеличением / данные кривые все больше расходятся.

Рассмотрим теперь дифференциальное уравнение третьего порядка

График полученного решения этого дифференциального уравнения представлен на рис. 9.

Рис. 9. Описание кривой дифференциальным уравнением третьего порядка

Данный рисунок позволяет видеть, что, в отличие от предшествующих случаев, здесь рассматриваемые кривые весьма близки на всем интервале значений / и, следовательно, можно заключить, что уравнение (7) является достаточно точной математической моделью, рассматриваемой калориметрической установки и его можно использовать для решения задач прогноза и управления процессом определения теплотворной способности угля. Значение метрики Я для данного случая составляет 5 = 0.00274.

Приведенные результаты позволяют видеть, что дифференциальное уравнение третьего порядка достаточно адекватно описывает заданную кривую, представленную на рис. 6. Можно предположить, что использование дифференциального уравнения четвертого порядка улучшит результаты, но при этом задача нахождения неизвестных коэффициентов существенно усложняется и оказывается весьма громоздкой. Учитывая данное обстоятельство, а также то, что решение дифференциального уравнения третьего порядка достаточно точно описывает экспериментальные данные, уравнения четвертого и более высоких порядков нами не строились и не исследовались.

Решение задачи прогноза данных калориметрического процесса углехимиче-ской лаборатории состоит из следующих основных этапов:

1. Анализ данных первого, этапа калориметрического процесса (до сгорания пробы) в течение проведения измерения.

' 2. Анализ данных второго этапа калориметрического процесса (после сгорания пробы) в течение проведения измерения.

3. Аналитическое описание данных текущего калориметрического процесса, с использованием обыкновенных дифференциальных уравнений и алгоритма чувствительности.

4. Описание данных калориметрического процесса, используя полученные ранее уравнения по данному типу пробы.

В процессе проведения калориметрических измерений необходимо учесть важность накопления статистических данных по выбранному типу пробы. При проведении измерения производится аналитическое описание с использованием данных, как текущего процесса, так и ранее произведенных испытаний данного типа пробы угля. Используются ранее полученные оценки для более адекватного выбора начальных условий.

При проведении прогноза данных второго этапа калориметрического процесса, необходимо учитывать данные первого этапа. Данный этап характеризует состояние уравновешивания температур калориметрического аппарата и внешней среды. На характер, кривой второго этапа влияют так же следующие параметры: масса топлива; общая влага; условия внешней среды. Минимальное число измерений второго этапа должно составлять не менее 8 значений, для более адекватного аналитического описания данных калориметрического процесса.

Для качественного проведения прогноза данных калориметрического процесса все перечисленные выше факторы, влияющие на данный процесс, сохраняются в разрабатываемой ЛИМС углехимического предприятия и учитываются при аналитическом описании.

Рассмотренные в данной главе математические методы обработки результатов испытаний на различные состояния топлива является основной составляющей всех углехимических. лабораторий. В зависимости от технического оснащения испытательных лабораторий производятся, либо все, либо часть из перечисленных расчетов. Итоговые расчеты на различные состояния являются исходными данными для формирования сертификатов качества угольной продукции предприятий.

Полученные результаты аналитического описания экспериментальных данных позволяют сделать следующие выводы:

1. Используя дифференциальное уравнение (1), можно выбрать его порядок и коэффициенты таким образом, что оно достаточно точно описывает кривую, представленную на рисунке 6.'

2. Алгоритм чувствительности позволяет определить порядок дифференциального уравнения и оценить его параметры таким образом, что оно оказывается адекватной математической моделью рассматриваемой калориметрической установки.

3. Внедрение данного алгоритма в углехимические лабораторно — информационные системы, позволяет значительно сократить по времени весь анализ пробы шахт и углеразрезов.

В четвертой главе рассматривается аппаратно — программная реализация углехимической лабораторно — информационной системы. Проведенное здесь техническое и программное моделирование лабораторно - информационной системы, является структурным продолжением моделирования и реализации ЛИМС с использованием методологии проектирования информационных систем на основе объектно-ориентированного программно — инструментального. CASE-средства Rational Rose. В дайной главе производится построение следующих диаграмм Rational Rose:

• диаграмма размещения компонентов углехимической ЛИМС

• диаграмма компонентов углехимической ЛИМС;

Приводится описание программных модулей лабораторно — информационной системы. Детально рассматривается реализация аппаратного обеспечения ав- ■ томатизации калориметрической установки В-08МА цифровым вольтметром Щ1516.

Диаграммы Размещения Rational Rose показывают физическое расположение различных компонентов углехимической лабораторно — информационной системы в сети.

Сервер базы данных

F

Локальная вычислительная сеть

Калориметрический аппарат

АРМ пластометрического процесса

Аналитические весы.

АРМ процесса определения влаги

Титрометр

Микроскоп спектрафотометр

АРМ Калориметрического процесса

АРМ процесса взвешивания

АРМ процесса отпределения серы

АРМ рефпектограммного процесса

1

Рис. 10. Диаграмма размещения компонентов углехимической ЛИМС

Диаграмма размещения, представленная на рис. 10, отображает физическое размещение объектов лабораторно — информационной системы.

Диаграммы компонентов показывают, как выглядит модель на физическом уровне реализации. На ней изображаются компоненты программного обеспечения лабораторно - информационной системы и связи между ними. При этом выделяется следующие два типа компонентов: исполняемые компоненты; динамические библиотеки.

На диаграмме, представленной на рис. 11, показаны компоненты автоматизированных рабочих мест сотрудников углехимической лаборатории, а также модули и динамические библиотеки работы с базой данных и управления оборудование лаборатории.

ГмваньЙ модуль программы регистрации проб-: ч V

Модуль сервера , Еь,

безыдейных

I

Рис. 11. Диаграмма компонентов углехимической ЛИМС

Программная система TRegister (рис. 12) предназначена для выполнения следующих основных задач углехимической лабораторно — информационной системы:

• регистрация анализов. Ввод информации об анализе поступивших проб углей (данные о месте пробоотбора, дате, времени поступления, и т. д.;

• заполнение основных справочной информации (места пробоотбора, калориметрические бомб, константы, оборудование);

• выполнение основных расчетов параметров качества угольной пробы;

• проведение расчета средневзвешенных показателей качества;

• управление основным оборудованием лабораторного комплекса;

• автоматический контроль за проведением параллельных измерений;

• генерация сводной отчетной документации с дальнейшей выгрузкой в текстовый редактор Microsoft Word.

i»i Система регистрации анализа» - [Лиал^ы npnfi |

Главное ; Справочники !: Расчеты отчета Помощь:

и ........

Аналиэы проб за «ось период раноты

' .ЛвШ »laj.xl

111:35:09

□ | * Место пробоотбора | Лог | naptHfl | Дата анализа 1 время анализа 1*1

□ ш. Заречная :...........................:........ 2 1 6? | 30.03 2003 1.40:47 Я

р. Кедровскмй . : 8 45 06.04.2003 23 02 53 |

ш. Коксовая ^ ^ ¿Ш^ЭШ'Ш'Н 24 \ 42 ' ' ne 04.2003 23 02 63 1 ,

ш. Тыргшн кач 25 67 30.03.2003 • 1 40 47 H

ш. Коксовая 26 « 06.04.2003 i 23.02:53 !

шЛыргаисш . 27 ' . 67 . 30 03 2003 1:40.47 Г

JÜ

! Параметры / Состояния л ■ Аналитическое i Сухое | Сухов беазопьное ] ^ Рабочее ■ 1 *■ j

Общая влага, % ► 0.011 п.оо 0.00 S2.44 □

Влага аналитическая, X 1.82 0 00 0.0D о.оо'

Зольность, % 8.83 8.99 0,00 4.20'

Выход летучих веществ, X 30,70* 39.50 43,40 10.7Э'

: Высшая теплота, ккал/кг; • 7403.00 П, 40.2 1 8285.ЭЗ 3506,13*

; Низшая теплота, ккал/кг\ ? 0.00 7?7'i 41! о.оо Э171.ьг;

Общая сера, % > 0.32 0.33 0.00 ой б :

Водород, % 0.00 5.3В 0.00 D.OOjJ

.ТВ

Л

В)

Общая

ms

Влага аналитическая | .Зольность ) Выиод лигечии | Сера | Калориметрия)"

¡Сводная таблица анализа пробы ;

Рис. 12. Главное рабочее окно программы TRegister

Данная программная система производит автоматический контроль отклонения вычисления среднего значения параллельных измерений от допустимых параметров в зависимости от проводимого опыта измерения показателя качества

пробы. Пример недопустимого отклонения вычисления среднего значения параллельных измерений приведен на рис. 13.

в .

А : jl Ж ;

а!

ki

«

Общая j В лага общая | Влага аналитическая j Зольность ; Выход пигечия I Сера | Калориметрия 1

Рис. 13. Отклонение параллельных измерений от допустимого значения

При данном состоянии система предлагает произвести третье измерение для более точного определения среднего значения. Если сотрудник игнорирует данное сообщение, то в последствии система не произведет сводный расчет по данному анализу. Данный контроль производится по всем параметрам качества в соответствии с международными стандартами (ISO 589, ISO 331, ISO 1171, ISO 562, ISO 351, ISO 1928).

Сводная таблица расчетных параметров включат данные по всем состояниям пробы угля. Используются все основные математические методы расчета параметров качества угля, описанные в главе 3.

В рамках реализации лабораторно — информационной системы углехимиче-ского предприятия разработана автоматизированная калориметрическая система на основе калориметра В-08МА с цифровым вольтметром Щ1516 предназначена для определения теплотворной способности угля, одного из неотъемлемых параметров анализа качества.

Автоматизация калориметрической системы В-08МА сводится к построению следующих аппаратно - программных модулей:

1. Программная система сбора и обработки данных с калориметрической системы.

2. Интерфейс сопряжения цифрового вольтметра Щ1516 с вычислительной системой.

Основными функциями интерфейса являются следующие:

• считывание данных с вольтметра;

• управления калориметром В-08МА;

• регистрации состояния калориметрической системы;

• передача данных к вычислительной системе.

ВЕС

| . тигля с обр, j образца 1 тигля с обр, посла испыт, | потерянный

ВЛАГА ВЫХОД

аналит.

летних

26.3548. 22.278G

27.3603 23.2743:

1.0055 0.9957

26.3530 22.8291

40.5072 44.7123

1.8508 1.7913

38,6861 42.8912

- Аналиа выпада летучих -г-—т~~н..... ■ ¡. --—.! : '..'... .. —:—г—--——:-—

Средневзначениепроизввдвнныхизмерений(&);.40,78В6 . л nMLiiJAWWcriii

Минимальная разница измерений (Х>. . 4.2051 > ВНИМАНИЕМ!

Допустимая разница измерений no ISO 562. Необходимо произвести

При значениях <1 ОЙ (уголь, атнрацит) составляет pi): , : 0.3 Дополнительное измерение 2. При значения* 10Х и более (уголь, етнрацит), составляет 3 ОТ стреднвго :3. При измерения« коки составляет (*): .. Q.2

В данной автоматизированной калориметрической системе производится программное управление всеми этапами анализа, а также расчет теплоты сгорания по ГОСТ 147-95. Основное окно программы процесса калориметрии приведено на рисунке 15.

£ Гяаамм Справочники Помощь С А В *

■НИН

Номер |

• Калориме1ричвскив енализы "

5%

Ъ

а

Мсстй лробоотбора

3839

эшп

3697

3698

ш. Коксовая ш. КыргаАскв» ш. КыргаАскля ш. Кыргмскш

} Дата 1 Время | * I

10 10.2004 111:19:57

10 10 2004 1177.3Я

10Ю.2004 12 10.25

10.10.2004 13:23:37

г Намерение ~

Бомба} Навеска | Коп теп, бцм и пров-1 Теп, проа. ! ] Массабцм. |. Теп бум | Теппога

1746, ■ ■ 0.963? 2137 : 0,945 1742 - 0.9574

■ Прием данных огг калориметра -

:: Принятьданные

: 228.14 : ■ 228.54: 227,74:

10 0.0547

10 одав 10 0.0546

3988: 3988

. 7623 ; 7631 ; 7603-

- Состояние гроцевссл приема двнньш -Номер калориметра;: , 1--ч

Период

Таблица измерений \ График калориметрии]

Калориметр №Ч

12:22:03

" Данные калориметра-

№| Вреьм| Знач Iж

00:00

I ОВЗО

г 01.00

3 01 30

4 огоо 8 0230 8 0300

7 0430

8 0400

9 0430

10 05:00-:

II 0530

12 05.00

13 05 30

14 0700

15 07.30

18 оаоо

17 08:30

18 : 09:00 : 13 : 1Н30 : 20 10 00 21' 10-30 22 1100

0.6403 0.8513 а №41 0.6571:

и.сса2

0.6833 0.66КЭ 0.6084 0.6724 О 675В 0.6786 1.2203 2.025 2.ЭЭ18 2.4796 , 2.5649 • 2.81 Л2 ~ 2,6526 2.8752 2.6899 2.6998 > 2.7867 2.7114^

Рис. 15. Программа автоматизации калориметрического процесса

Данная система позволяет параллельное проведение трех независимых калориметрических процессов на трех установка В-08МА. Данный процесс реализован с помощью предусмотренной адресации интерфейсных устройств сопряжения.

В данной главе приведено также описание программных систем автоматизации для процесса взвешивания и процесса проведения титрометрического анализа пробы угля.

В заключении содержится краткая сводка основных результатов работы, сформулированы общие выводы относительно выполненной работы и1 даны ре-коменаци по дальнейшим исследованиям.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В результате проведенных исследований реализована основная цель работы — создано качественное аппаратно — программное обеспечение лабораторной

информационно — менеджментской системы углехимического предприятия для эффективного управления и мониторинга деятельности.

При этом получены следующие результаты:

1. Проведен комплексный анализ деятельности углехимических лабораторий;

2. Выделены основные виды деятельности подлежащих полной либо частичной автоматизации;

3. Разработана информационно — техническая модель лабораторной информационно — менеджментской системы с применением современного инструментального средства проектирования информационных систем;

4. Предложено аналитическое описание экспериментальных данных с применением обыкновенных дифференциальных уравнений и алгоритма чувствительности с целью существееного (на 30 — 40 %) сокращения времени калориметрического анализа;

5. Разработано программное обеспечение лабораторной информационно

— менеджментской системы углехимического предприятия;

6. Создано аппаратное средства автоматизации калориметрического оборудования углехимических лабораторий;

7. Практическая значимость данной работы подтверждается внедрением ее основных результатов в угольной промышленности.

Разработанная лабораторная информационно — менеджментская система успешно внедрена на ООО «Центральная углехимическая лаборатория г. Про-крпьевска» Кемеровской области. Модуль автоматизации калориметрического процесса установлен на ОАО «Западно-Сибирский Испытательный Центр». Весь комплекс аппаратно — программного обеспечения лабораторной информационно

— менеджментской системы прошел экспертную проверку в российском представительстве голландской фирмы «ШСОЬАВ» в г. Прокопьевске.

Проведенная оценка экономической эффективности позволяет видеть, что трудозатраты сотрудников, связанные с проведением испытаний проб углей в уг-лехимической лаборатории и обработкой их результатов с применением разработанной лабораторной информационно — менеджментской системы, сокращаются в среднем на 50%. Это ведет к привлечению инвестиций, что способствует расширению производства и повышению качества лабораторных испытаний проб углей. При значительном уменьшении трудозатрат углехимических лабораторий, снижается себестоимость оказываемых услуг, что влияет на повышение конкурентоспособности данной организации на соответствующем сегменте рынка.

Внедрение разработанной лабораторной информационно — менеджментской системы на предприятиях угольной индустрии необходимо для создания взаимосвязанной управляемой структуры предприятий анализа, переработки и дальнейшей реализации угольного сырья. В сочетании с добровольной сертификацией данная система будет способствовать более эффективному использованию угольной продукции как в энергетике, так и в коксохимической промышленности.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАННЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Арцер П. А. Системный анализ качества угольного концентрата обогатительных фабрик Кузбасса на основе химии и петрографии углей // Прикладной системный анализ: научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, Изд-во ТУ СУР, 2001, с. 77-79.

2. Artser A. S., Vaskin V. W., Basarygin V. I., Artser P. A. Computer control ever chemistry and petrography of coal concentrate from the Kuzbass coal preparation plants and prediction of coke properties on this basis // XIV INTERNATIONAL COAL PREPARATION CONGRESS - 4 международная конференция угольных разработок (ЮАР) 11-15 марта 2002 г.

3. Арцер П. А. Комплексная аппаратно - программная автоматизация лабораторий химии угля // Журнал «Уголь» ,№11, 2004г. с. 62-64.

4. Арцер П. А. Аппаратно-программный комплекс автоматизации калориметрической установки В - 08МА // Научная сессия ТУСУР - 2004: Всероссийская научно-техническая конференция. 18-20 мая 2004г. — Томск, 2004. — с. 206209.

5. Арцер П. А. Комплексная автоматизация химической лаборатории анализа проб углей Н Современная техника и технологии: X международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. 29 марта -2 апреля 2004 г. - Томск, 2004. - Т. 2. - с. 108-109.

6. Арцер П. А. Программное обеспечение лабораторно — информационной системы углехимического предприятия для расчета показателей качества угольных проб // Современные информационные технологии — 2005: Международная научно-техническая конференция

7. Арцер П. А Основные концепции построения лабораторно — информационных систем углехимических предприятий // Измерение, контроль, информатизация: международная научно-техническая конференция. 1-3 июня 2005 - г. Барнаул.

8. Arzer P. A. Comprehensive automation of chemical laboratory of coal samples H 10 th Jubilee International Conference Modern Technique and Technologies.

9. Арцер П. А. Система автоматизации калориметрической установки В-08МА — М.: Национальный информационный фонд неопубликованных документов. Отраслевой фонд алгоритмов и программ. 27 октября 2004 г. №50200401238

10. Арцер П. А., Пронин А. С., Светлаков А. А. Аналитическое описание экспериментальных данных калориметрического анализа угля с применением обыкновенных дифференциальных уравнений и алгоритма чувствительности. ТУСУР. - Томск, 2004. - 21 с. - Деп. в ВИНИТИ 02.03.04, № 379-В2004.

Заказ 1158. Тираж 100.

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ОСНОВНЫХ КОНЦЕПЦИЙ ПОСТРОЕНИЯ ЛАБОРАТОРНО -ИНФОРМАЦИОННЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ.

1.1 Введение.

1.2 Основные виды деятельности испытательных лабораторных комплексов

1.2.1 Основные задачи испытательных лабораторных комплексов.

1.2.2 Достоверность и адекватность проводимых лабораторных анализов.

1.2.3 Политика информационного управления в испытательных лабораториях.

1.3 Базовые концепции лабораторно- информационных управляющих систем и их основные функции.

1.3.1 Исторические аспекты развития лабораторно - информационных управляющих систем

1.3.2 Реализация управления лабораторными испытательными комплексами.

1.3.3 Определение лабораторно - информационной управляющей системы.

1.3.4 Структура построения лабораторно - информационных управляющих систем.

1.3.5 Основные функции лабораторно - информационных управляющих систем.

1.3.6 Основные виды деятельности лабораторных комплексов с реализованной лабораторно - информационной управляющейсистемой.

1.3.7 Возможности и перспективы внедрения лабораторно - информационных управляющих систем.

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ЛАБОРАТОРНО - ИНФОРМАЦИОННОЙ УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ УГЛЕХИМИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ.

2.1 Введение.

2.2 Базовые концепции проектирования информационных систем.

2.2.1 Тенденции развития средств проектирования и поддержки информационных систем

2.2.2 Методология проектирования информационных систем.

2.2.3 Структурный подход к проектированию информационных систем.

2.2.4 Методология функционального моделирования.

2.2.5 Моделирование потоков данных.

2.3 Виды и характеристики CASE - средств.

2.3.1 Общая характеристика и классификация CASE - средств.

2.3.2 CASE - средство Silverrun Computer Systems Advisers.

2.3.3 CASE-средство JAM JYACC.

2.3.4 CASE - средство Designer/2000 ORACLE.

2.3.5 Локальные CASE - средства ERwin, BPwin, S-Designor, САЗЕ.Аналитик.

2.3.6 Объектно-ориентированные CASE-средства Rational Rose.

2.3.7 Определение критериев и выбор CASE - средства для проектирования лабораторно - информационной управляющей системы углехимического предприятия.

2.4 Моделирование ЛИУС углехимической лаборатории.

2.4.1 Построение пакетной диаграммы вариантов использования ЛИУС.

2.4.2 Диаграмма вариантов использования калориметрического процесса.

2.4.3 Диаграмма вариантов использования пластометрического анализа.

2.4.4 Диаграмма вариантов использования взвешивания пробы.

2.4.5 Диаграмма вариантов использования определения влаги.

2.4.6 Диаграмма вариантов использования определения содержания общей серы.

2.4.7 Диаграмма вариантов использования рефлектограмного анализа.

2.4.8 Построение диаграммы последовательности калориметрического процесса.

2.4.9 Построение диаграммы последовательности процесса взвешивания пробы.

2.4.10 Построение кооперативной диаграммы углехимической лабораторно -информационной управляющей системы.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ УГЛЕХИМИЧЕСКИХ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1 Введение.

3.2 Основные параметры качества, рассчитываемые лабораторно информационной управляющейсистемой.

3.2.1 Определение вариантов лабораторных состояний топлива.

3.2.2 Расчет сводных результатов параметров качества па различные состояния топлива.

3.3 Применение обыкновенных дифференциальных уравнений и алгоритма чувствительности для математического описания калориметрического процесса.

3.3.1 Постановка задачи аналитического описания экспериментальных данных калориметрического анализа.

3.3.2 Алгоритм чувствительности оценивания порядка и параметров обыкновенных дифференциальных уравнений.

3.3.3 Описание экспериментальных данных калориметрического анализа.

3.3.4 Анализ использования аналитического описания экспериментальных данных калориметрического процесса.

3.3.5 Решение задачи прогноза калориметрического процесса.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4 АППАРАТНО-ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УГЛЕХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРНО- ИНФОРМАЦИОННОЙ УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ.

4.1 Введение.

4.2 Построение диаграммы размещения.

4.3 Построение диаграммы компонентов.

4.4 Система центрального рабочего места обработки данных и диспетчеризации.

4.5 Анпаратно - программный комплекс проведения калориметрических измерений.

4.6 Аппаратно-программный комплекс процессов взвешивания и титрования

4.7 Выводы.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Современные информационные технологии и компьютерные телекоммуникации открывают принципиально новые возможности формирования единого информационного пространства для решения научно-практических задач химических лабораторий предприятий добычи и переработки угля. В настоящее время технические и технологические возможности позволяют обеспечивать новую информационно- инструментальную поддержку лабораторных научно-практических исследований. Появляется возможность создавать информационные системы, объединяющие эмпирический и математический уровни, что позволяет работать по единой технологии, как с экспериментальными данными, так и с математическими моделями вычислительного эксперимента.

В настоящее время химические лабораторные комплексы угольной отрасли страны переживают новую эпоху информационно - технической реорганизации. Это обусловливается следующими факторами:

1) значительное увеличение нагрузки на центральные углехимические лаборатории из-за высокого сокращения лабораторных комплексов, непосредственно принадлежащих угольным предприятиям;

2) повышение требований к качеству проводимых анализов угля шахт и углеразрезов со стороны различных комбинатов переработки и конечных потребителей топлива.

Необходимо кардинально решить проблему качественного управления лабораториями центрального звена углехимических предприятий с применением современных информационных технологий и специализированного аппа-ратно - программного обеспечения. На сегодняшний день парк аналитического оборудования, установленный в большинстве углехимических лабораторий, значительно устарел, что приводит зачастую к неадекватным результатам производимых измерений параметров качества угольного сырья.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является создание качественного аппаратно - программного обеспечения лабораторно - информационной управляющей системы уг-лехимического предприятия для эффективного управления и мониторинга деятельности.

Достижение указанной цели обеспечивается постановкой и решением следующих основных задач:

1. проведение комплексного анализа деятельности современных угле-химических лабораторий;

2. выделение основных видов деятельности, подлежащих полной либо частичной автоматизации;

3. разработка модели лабораторно - информационной управляющей системы с применением современных инструментальных средств проектирования информационных систем;

4. создание аналитического описания экспериментальных данных с применением обыкновенных дифференциальных уравнений и алгоритма чувствительности.

5. разработка полного пакета программного лабораторно - информационной управляющей системы углехимического предприятия;

6. создание аппаратных средств автоматизации существующего оборудования углехимических лабораторий;

7. создание и внедрение в народное хозяйство образцов разработанного аппаратно - программного обеспечения лабораторно - информационной управляющей системы углехимических предприятий.

В настоящее время, на наш взгляд, средств, полностью отвечающих требованиям лабораторно - информационной управляющей системы углехимиче-ских предприятий, не существует.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Технология и средства создания лабораторно - информационных управляющих систем углехимических предприятий, объединяющих аппаратное и программное обеспечения автоматизации испытательных лабораторий.

2. Результаты информационного моделирования лабораторных систем с использованием инструментального средства Rational Rose.

3. Технологические подходы к формированию, использованию, обновлению единой информационной базы данных углехимической лаборатории.

4. Практическая реализация лабораторно - информационной управляющей системы углехимического предприятия.

5. Практическая реализация интерфейса сопряжения калориметрического аппарата В08-МА, на основе цифрового вольтметра Щ1516, с вычислительной системой лабораторного комплекса.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Научная новизна работы заключается в том что, выполнена и решена научная проблема разработки теоретических основ построения и средств реализации лабораторно - информационной управляющей системы углехимического предприятия путем создания нового аппаратно - программного обеспечения автоматизации и применения основных принципов построения лабораторно -информационных управляющих систем.

В частности:

1. Создана информационно - техническая модель современной лабораторно - информационной управляющей системы углехимического предприятия с применением, как объектно-ориентированного CASE - средства Rational Rose, так проведенного комплексного исследования деятельности испытательной лаборатории и выявленных видов деятельности лабораторий, подлежащих полной либо частичной автоматизации с применением новых, как программных, так и аппаратных средств.

2. На основе обыкновенных дифференциальных уравнений и алгоритма чувствительности разработана методика прогноза данных калориметрического процесса. Это позволило, без снижения точности определений теплоты сгорания, примерно на 30 - 40 % сократить время выполнения калориметрического процесса.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Предложенная система информационно - технического управления испытательными лабораториями угольных предприятий, позволяет вывести лабораторные комплексы на качественно новый уровень работы. Внедрение лабораторно - информационной управляющей системы способствует увеличению основных показателей деятельности таких, как качество и точность проводимых измерений, планомерное управление испытательной лабораторией, сокращение времени проведения полного комплекса испытаний, формирование отчетности в соответствии с принятыми нормативными документами.

Проведенная оценка экономической эффективности показала, что трудозатраты сотрудников, связанные с проведением испытаний проб углей в угле-химической лаборатории и обработкой их результатов с применением разработанной лабораторно - информационной управляющей системы, сокращаются в среднем на 50%, что подтверждено соответствующим актом.

Разработанное аппаратное и программное обеспечение для автоматизации широко распространенного калориметрического аппарата В-08МА с цифровым вольтметром Щ1516 на 30 - 40 % сокращает трудозатраты сотрудников на проведение калориметрического процесса.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Разработанная лабораторно - информационная управляющая система успешно внедрена на ООО «Центральная углехимическая лаборатория г. Про-крпьевска» Кемеровской области. Весь комплекс аппаратно-программного обеспечения лабораторно - информационной управляющей системы прошел экспертную проверку в российском представительстве голландской фирмы «INCOLAB» в г. Прокопьевске.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основная часть представленной на рассмотрение диссертационной работы выполнена лично Арцером П. А., что подтверждается публикацией результатов в приведенных научных трудах. Основные результаты работы отражены в 12 публикациях: 1 статье в журнале, рекомендованном ВАК; 3 депонированной в ВИНИТИ рукописи; 1 зарегистрированной разработке в отраслевом фонде алгоритмов и программ; 7 публикациях в рецензируемых сборниках трудов конференций, из них 2 публикации были представлены в зарубежных изданиях.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Арцер П. А. Системный анализ качества угольного концентрата обогатительных фабрик Кузбасса на основе химии и петрографии углей // Прикладной системный анализ: научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, Изд-во ТУ СУР, 2001, с. 77-79.

2. Artser A. S., Vaskin V. W., Basarygin V. I., Artser P. A. Computer control over chemistry and petrography of coal concentrate from the Kuzbass coal preparation plants and prediction of coke properties on this basis // XIV INTERNATIONAL COAL PREPARATION CONGRESS - 4 международная конференция угольных разработок (ЮАР) 11-15 марта 2002 г.

3. Арцер П. А. Комплексная аппаратно - программная автоматизация лабораторий химии угля // Журнал «Уголь» , №11, 2004г. с. 62-64.

4. Арцер П. А. Аппаратно-программный комплекс автоматизации калориметрической установки В - 08МА // Научная сессия ТУСУР - 2004: Всероссийская научно-техническая конференция. 18-20 мая 2004г. - Томск, 2004. - с. 206-209.

5. Арцер П. А. Комплексная автоматизация химической лаборатории анализа проб углей // Современная техника и технологии: X международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. 29 марта - 2 апреля 2004 г. - Томск, 2004. - Т. 2. - с. 108-109.

6. Арцер П. А. Программное обеспечение лабораторно - информационной управляющей системы углехимического предприятия для расчета показателей качества угольных проб // Современные информационные технологии -2005: Международная научно-техническая конференция

7. Арцер П. А Основные концепции построения лабораторно - информационных управляющих систем углехимических предприятий // Измерение, контроль, информатизация: международная научно-техническая конференция. 1-3 июня 2005 - г. Барнаул.

8. Arzer P. A. Comprehensive automation of chemical laboratory of coal samples // 10 th Jubilee International Conference Modern Technique and Technologies.

9. Арцер П. А. Система автоматизации калориметрической установки В-08МА - М.: Национальный информационный фонд неопубликованных документов. Отраслевой фонд алгоритмов и программ. 27 октября 2004 г. №50200401238

10. Арцер П. А., Пронин А. С., Светлаков А. А. Аналитическое описание экспериментальных данных калориметрического анализа угля с применением обыкновенных дифференциальных уравнений и алгоритма чувствительности. ТУСУР. - Томск, 2004. - 21 с. - Деп. в ВИНИТИ 02.03.04, № 379-В2004.

4.7 Выводы

В данной главе приведена реализация лабораторно - информационной управляющей системы углехимического предприятия. На графических примерах рассмотрены основные модули реализации ЛИУС. Приведено описание контроллера сопряжения калориметрического аппарата В-08МА и вычислительной системы. Описано как производится программный контроль отклонений параллельных измерений от допустимых значений испытаний проб углей.

Данная реализация лабораторно - информационная управляющая система прошла экспертное обследование в российском представительстве голландской компании «Incolab». Были задействованы все модули разработанной ЛИУС.

Данная система внедрена в ООО «Центральная углехимическая лаборатория г. Прокопьевска» Кемеровской области, что подтверждено соответствующим актом.

Заключение

В условиях современных информационных технологий разработанная лабораторно - информационная управляющая система углехимического предприятия открывает принципиально новые возможности формирования единого информационного пространства для решения научно-практических задач. Основной акцент сделан на проведение моделирования деятельности испытательной лаборатории и выявление сфер деятельности данной лаборатории, автоматизации которых является наиболее актуальной задачей.

В результате проведенных исследований реализована основная цель работы - создано качественное аппаратно - программное обеспечение лабораторно - информационной управляющей системы углехимического предприятия для эффективного управления и мониторинга деятельности.

При этом получены следующие результаты:

1. Проведен комплексный анализ деятельности углехимических лабораторий;

2. Выделены основные виды деятельности подлежащих полной либо частичной автоматизации;

3. Разработана информационно - техническая модель лабораторно -информационной управляющей системы с применением современного инструментального средства проектирования информационных систем;

4. Предложено аналитическое описание экспериментальных данных с применением обыкновенных дифференциальных уравнений и алгоритма чувствительности с целью существееного (на 30 -40 %) сокращения времени калориметрического анализа;

5. Разработано программное обеспечение лабораторно - информационной управляющей системы углехимического предприятия;

6. Создано аппаратное средства автоматизации калориметрического оборудования углехимических лабораторий;

7. Практическая значимость данной работы подтверждается внедрением ее основных результатов в угольной промышленности.

Разработанная лабораторно - информационная управляющая система успешно внедрена на ООО «Центральная углехимическая лаборатория г. Про-крпьевска» Кемеровской области. Весь комплекс аппаратно - программного обеспечения лабораторно - информационной управляющей системы прошел экспертную проверку в российском представительстве голландской фирмы «INCOLAB» в г. Прокопьевске.

Проведенная оценка экономической эффективности позволяет видеть, что трудозатраты сотрудников, связанные с проведением испытаний проб углей в углехимической лаборатории и обработкой их результатов с применением разработанной лабораторно - информационной управляющей системы, сокращаются в среднем на 50%. Это ведет к привлечению инвестиций, что способствует расширению производства и повышению качества лабораторных испытаний проб углей. При значительном уменьшении трудозатрат углехимических лабораторий, снижается себестоимость оказываемых услуг, что влияет на повышение конкурентоспособности данной организации на соответствующем сегменте рынка.

Внедрение разработанной лабораторно - информационной управляющей системы на предприятиях угольной индустрии необходимо для создания взаимосвязанной управляемой структуры предприятий анализа, переработки и дальнейшей реализации угольного сырья. В сочетании с добровольной сертификацией данная система будет способствовать более эффективному использованию угольной продукции как в энергетике, так и в коксохимической промышленности.

1. Barker R. CASE*Method. Entity-Relationship Modelling. Copyright Oracle Corporation UK Limited, Addison-Wesley Publishing Co., 1990.

2. Bedienungsanleitung: IKA Kalorimeter system C4000A adiabatisch // IKA -Analysentechnik, 1989.

3. Boehm B.W. A Spiral Model of Software Development and Enhancement. ACM SIGSOFT Software Engineering Notes, Aug. 1986.

4. Chris Gane, Trish Sarson. Structured System Analysis. Prentice-Hall, 1979.

5. Codd E. F. An Evaluation Scheme for Database Management Systems that are Claimed to be Relational. Proc. IEEE CS International Conference, no. 2 on Data Engineering, Los Angeles, February, 1986.

6. Component Services MSDN Library Microsoft January 2000.

7. DATARUN Concepts. Computer Systems Advisers Research Ltd., 1994.

8. Date C. J. Moving Forward with Relational: Interview.//DBMS, 1994. V. 7. No. 10 (October), p. 62.

9. Edward Yourdon. Modern Structured Analysis. Prentice-Hall, 1989.

10. Halpin T. Using Object Role Modelling to Design Relational Databases: Interview.// DBMS, 1995. V. 8. No. 9 (September), p. 38.

11. IEEE Std 1209-1992. IEEE Recommended Practice for the Evaluation and Selection of CASE Tools.

12. IEEE Std 1348-1995. IEEE Recommended Practice for the Adoption of CASE Tools.

13. Microsoft OLE DB MSDN Library Microsoft January 2000.

14. Oracle 7.3. Энциклопедия пользователя: Пер. с англ./Ричарде Майкл и др. "ДиаСофт"., 1997

15. Oracle Discoverer 3.0 Administrator edition. User's manual, (электронная документация, поставляемая с Oracle Discoverer 3.0 - Administrator edition).

16. Pascal F. Understanding Relational Databases with Examples in SQL-92. John Wiley & Sons, 1993.

17. PVCS Tracker. User's Guide.

18. PVCS Version Manager. User's Guide.19. QA Partner. User's Guide.

19. SE Companion Installation and Administration Manual. SECA Inc., 1995.

20. The Xerox Learning Research Group.// The Smalltalk-80 System, Byte, 1981. V. 6. No.8. August, pp. 36-48.

21. Tom DeMarco. Structured Analysis and System Specification. Yourdon Press, New York, 1978.

22. Uniface V6.1 Designers' Guide. Uniface B.V., Netherlands, 1994.

23. Webster's Tenth New Collegiate Dictionary, 1967.

24. Westmount I-CASE User Manual. Westmount Technology B.V., Netherlands, 1994.

25. XML (extensible Markup Language) MSDN Library Microsoft January 2000.

26. XSL Developer's Guide MSDN Library Microsoft January 2000.

27. Аммосов И. И., Ерёмин И. В., Бабинкова Н. И. и др. Петрографические особенности и свойства углей. М.: Изд. АН СССР, 1963, 380 с.

28. Андреев А. Г. Microsoft Window 2000 Server. Русская версия. Санкт-Петербург.: БХВ, 2000,960 с.

29. Артемьев. В.И. Обзор способов и средств построения информационных приложений. // СУБД. - 1996, №5-6, стр. 52-63

30. Арцер А. С., Протасов С. И. Угли Кузбасса: происхождение, качество, использование. В двух книгах. Кемерово: Кузбас. гос. техн. ун-т, 1999. 336с.

31. Атре Ш., Структурный подход к организации баз данных. М.: Финансы и статистика, 1983.-317 с.

32. Байдаков В. Федоров Б. Шевченко А. 1С: Бухгалтерия Описание. "1С" -1998.

33. Бобровски Ст., Огас1е7 и вычисления клиент/сервер. Alameda, СА, USA: SYBEX Inc., 1996.-420с.

34. Боггс У., Боггс М. UML и Rational Rose. М.: Изд. «ЛОРИ», 2001. - 580 с.

35. Васкевич Д. Стратегии клиент/сервер. К: "Диалектика", 1996.

36. Вендров A.M. Один из подходов к выбору средств проектирования баз данных и приложений. "СУБД", 1995, №3.

37. Вон К. Технология объектно-ориентированных баз данных.// Открытые системы, 1994. Вып. 4 (8). стр. 14.

38. Гвардейцев М. И., Розенберг В. Я. Системное математическое обеспечение управления. М.: Советское радио, 1978. - 512с.

39. Горев А. «Разработка приложений в Microsoft Visual FoxPro 3.0» М: Журнал «The Printer FoxPro Letter» TOO «Эдэль», 1996. - 392 с.

40. Горев А., Ахаян P., Макашарипов С. «Эффективная работа с СУБД» СПб.: Питер, 1997.-704 с.

41. Горин С.В., Тандоев А.Ю. CASE-средство S-Designor 4.2 для разработки структуры базы данных. "СУБД", 1996, №1.

42. Горин С.В., Тандоев А.Ю. Применение CASE-средства Erwin 2.0 для информационного моделирования в системах обработки данных. "СУБД", 1995, №3.

43. Горин С.В., Тандоев А.Ю. Применение CASE-средства ERwin для информационного моделирования в системах обработки данных// СУБД. 1995, № 3, стр. 16-26.

44. Горчинская О.Ю. Designer/2000 новое поколение CASE-продуктов фирмы ORACLE. "СУБД", 1995, №3.

45. Дадли К. Соответствие стандарту SQL.// Мир Oracle, 1996. № 1 (39). стр. 716.

46. Дейт К. Введение в системы баз данных. К: "Диалектика", 1998.

47. Джордайн Р. Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM PC XT/AT: М. Финансы и статистика, 1991, - 544 с.

48. Ерёмин И. В., Арцер А. С., Броновец Т. М. Петрология и химико-технологические параметры углей Кузбасса. Кемерово, 2001. 399с.

49. Ерёмин И. В., Лебедев В. В., Цикарев Д. А. Петрография и физические свойства углей. М.: Недра, 1980. 263с.51.3индер Е.З. Бизнес-реинжиниринг и технологии системного проектирования. Учебное пособие. М., Центр Информационных Технологий, 1996

50. Калянов Г.Н. CASE. Структурный системный анализ (автоматизация и применение). М., "Лори", 1996.

51. Кантарь И.Л. "Автоматизированные рабочие места управленческого аппарата", 1990г.

52. Концепция построения муниципальной информационной системы "МОНИТОР" // Геоинформатика. Теория и практика. Вып.1. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1998, с. 153-168

53. Костогрызов А.И. Математические модели процессов функционирования информационных систем. М.: Изд. "Вооружение. Политика. Конверсия", 1994. 278с.

54. Краус М., Кучбах Э., Вошми О. Г. Сбор данных в управляющих вычислительных системах: М.: Мир, 1987.-294 с.

55. Куцевич И.В. Введение в LIMS // Мир компьютерной автоматизации. 2002. №.4. с. 32-40.

56. Ладыженский Г.М. Архитектура корпоративных информационных систем // СУБД. 1997, № 5 6, стр. 18 - 24.

57. Марка Д.А., МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования. М., "МетаТехнология", 1993.

58. Международные стандарты, поддерживающие жизненный цикл программных средств. М., МП "Экономика", 1996

59. Микропроцессоры: в 3 кн. Кн. 25 средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы:/ В. Д. Вернер, И. В. Воробьёв, А. В. Горячев и др.; под ред Л. Н. Преснухина.-Мн. Выш. шк.; 1987. 303 с.

60. Михалевич B.C., Волкович В.Л. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем.- М.: Наука, 1982. 286с.

61. Новиков Ю. В. Карпенко Д. Г. Аппаратура локальных сетей функции, выбор, разработка. - М.: Издательство ЭКОМ, 1998. - 288с.

62. Новоженов Ю.В. Объектно-ориентированные технологии разработки сложных программных систем. М., 1996.

63. Олле Т. В. Предложения КОДАСИЛ по управлению базами данных. М.: Финансы и статистика, 1981.

64. Панащук С.А. Разработка информационных систем с использованием CASE-системы Silverrun. "СУБД", 1995, №3.

65. Петров Ю.К. JAM инструментальное средство разработки приложений в информационных системах архитектуры "клиент/сервер", построенных на базе РСУБД. "СУБД", 1995, №3.

66. Решетникова Г.Н., Хлебников А.А., Арцер П.А., Гриднев А.А. MathCAD PLUS 6.0 PRO: Учебное пособие / Под редакцией к.т.н., доцента Г.Н. Решетниковой. Томск: Изд-во ТГУ, 2000. - 140с.

67. Рубан А.И. Идентификация нелинейных динамических объектов на основе алгоритма чувствительности. Томск: Издательство Томского университета, 1975.-271 с.

68. Руководство пользователя МИС "МОНИТОР" Бабанов А. М. и др. НПО СибГеоИнформатика 1998.

69. Сахаров А.А. Принципы проектирования и использования многомерных баз данных (на примере Oracle Express Server).- //СУБД. 1996. - №3

70. Силич В.А. Декомпозиционные алгоритмы построения моделей сложных систем. Томск: Изд-во ТГУ, 1982. - 136с.

71. Скрыльников А.А. Генерация и управление электронными документами в OLTP системах - ТГУ ФИнф - 1998

72. Советов Б.Я. Информационная технология. М.: Высшая школа, 1994.

73. Создание информационной системы предприятия. "Computer Direct", 1996.

74. Уэнди Боггс, Майкл Боггс. UML и Rational Rose. М.: Издательство «ЛОРИ», 2001. 580с.

75. Фаликов B.C., Витальев В.П. Автоматизация тепловых пунктов: Справочное пособие. М.: Энергоатом издат, 1989.

76. Фролов А. В. Фролов Г. В. Локальные сети персональных компьютеров -монтаж сети, установка программного обеспечения. Второе издание, стереотипное. -М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1994. 176с.

77. Холл П. Вычислительные структуры. М.: Мир, 1978.

78. Шлеер С., Меллор С. Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях. Киев, "Диалектика", 1993.

79. Шураков В. "Автоматизированное рабочее место для статической обработки данных", 1990г.

80. Эльсгольц Л.Э. Обыкновенные дифференциальные уравнения: Учебник для вузов / Л.Э. Эльсгольц. СПб.: Лань, 2002. 218 с.