автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация проектирования технологической подготовки процесса приготовления шихты

На правах рукописи

Маслаков Максим Петрович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ШИХТЫ

Специальность: 05.13.12 - «Системы автоматизации проектирования (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 з г'дп т

005059837

Владикавказ - 2013

005059837

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет)»

Научный руководитель: доктор технических наук, проф.

Дедегкаев Альберт Гагеевич

Официальные оппоненты: Мустафаев Гусейн Абакарович

доктор технических наук, проф., профессор кафедры «Электронные приборы» ФГБОУ ВПО СКГМИ (ГТУ)

Фетисов Валерий Георгиевич

доктор технических наук, проф., зав. лаб. мат. исследований ЮРГУЭС и ЮМИ ВНЦ РАН

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. X. М. Бербекова»

Защита диссертации состоится 11 июня 2013 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д212.246.01 при ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)» по адресу: 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГМИ (ГТУ). Факс: (8672) 407-203. E-mail: info@skgmi-gtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке СКГМИ (ГТУ).

Автореферат разослан «8» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.246.01 к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Современные технологические объекты шихтоподготовки характеризуются многообразием технологического оборудования. Приготовление шихты на этом оборудовании связано с последовательной, параллельной и последовательно-параллельной обработкой сырьевых материалов, участвующих в процессе получения готового продукта.

Сказанное в полной мере относится к процессу производства изделий из стекла, эффективность которого существенно зависит от качества стекольной шихты. На качество шихты влияет не только ее состав, но и ее однородность, зависящая от неукоснительного соблюдения последовательности технологических операций (техрегламент) процесса, которая обеспечивается эффективным управлением.

При изменении номенклатуры выпускаемой стекольной продукции требуется обеспечить решение одной из основных задач технологической подготовки производства, а именно разработки управляющей модели технологического процесса изготовления изделия, адекватно реализующей заданный техрегламент на основе применения математического аппарата, позволяющего описывать параллельное и последовательное взаимодействие частей процесса. Выбор сетей Петри в качестве аппарата решения этой задачи связан с возможностью ими адекватно описывать взаимодействие составляющих процесса, проверять согласованность работы оборудования и выявлять нежелательные ситуации (конфликтные, аварийные и т.д.). Однако применение обыкновенных сетей Петри, а также их известных модификаций при проектировании управляющих моделей осложнено недетерминированностью их выполнения, что может приводить

3

к нарушению необходимой последовательности выполнения операций процесса.

В связи с выше сказанным, становится актуальной задача разработки метода автоматизированного проектирования управляющих моделей процесса, при возможных вариациях техрегла-мента. Решение этой задачи связанно с необходимостью нахождения такой модификации обыкновенных сетей Петри, которая обеспечила бы протекание процесса в строгом соответствии с техрегламентом.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование моделей, методов и алгоритмов проектирования технологической подготовки процесса приготовления шихты.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

• Исследование технологического процесса приготовления шихты, как единого целого, составленного из множества взаимосвязанных и взаимообусловленных подпроцессов.

• Разработка сети, в которой исключен недетерминизм срабатывания переходов, при одновременной активности двух и более из них.

• Разработка методов и алгоритмов композиции сетей, обеспечивающих их параллельное и параллельно не одновременное функционирование.

• Разработка метода минимизации сетей, для сокращения числа их позиций и переходов.

Методы исследования. В работе использовались методы теории множеств, теории графов и автоматов, теории сетей Петри.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложена графовая модель активности переходов, минимальная раскраска которой позволяет осуществить разбиение

множества переходов на подмножества попарно не активных.

2. Разработаны метод и алгоритм модификации обыкновенных сетей Петри, исключающие возможность нарушения детерминированности срабатывания переходов.

3. Предложены метод и алгоритм композиции параллельно протекающих составляющих технологического процесса, основанные на использовании прямого произведения сетей Петри.

4. Разработан метод минимизации модифицированных сетей выявлением эквивалентных позиций и переходов с последующей их заменой одной позицией и одним переходом для уменьшения затрат на реализацию сетей.

Обоснованность и достоверность научных положений обеспечивается результатами вычислительных экспериментов и экспериментальных исследований, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также практическими результатами внедрения научных исследований в реальное производство.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработанная модификация обыкновенных сетей Петри позволяет исключить недетерминизм срабатывания переходов и тем самым, обеспечить реализацию одной и только одной последовательности срабатывания переходов при выполнении операций, составляющих технологический процесс.

2. Разработанные методы и алгоритмы композиции модифицированных сетей позволяют проектировать управляющие модели технологического процесса при всех возможных вариациях техрегламента работы.

3. Предложенные методы и алгоритмы использованы при автоматизации проектирования технологической подготовки процесса приготовления шихты, что позволило реализовать управление им во всем диапазоне изменений последовательно-

5

сти технологических операций при изменении номенклатуры выпускаемой продукции.

Результаты диссертационной работы внедрены на ОАО «Иристонстекло», что позволило получить экономический эффект в размере 760 тыс. руб. в год. Отдельные материалы и результаты работы используются в учебном процессе СКГМИ (ГТУ).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Проблемы автоматизации. Региональное управление. Связь и автоматика (Паруса 2012)», г. Геленджик, 2012г., а также на ежегодных научно-технических конференциях, проводимых в СГМИ (ГТУ) в 2008 г. - 2011 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 67 наименований, и 2 приложений. Содержание работы изложено на 146 листах машинописного текста и включает 49 рисунков и 35 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта научная новизна, отмечена практическая значимость и дана апробация полученных результатов работы.

В первой главе произведен анализ технологического процесса приготовления шихты для стекольного производства, представлена его обобщенная структурная схема, определено

6

текущее состояние уровня автоматизации участков приготовления шихты. Обоснована необходимость автоматизации проектирования технологической подготовки процесса при построении единой системы управления переделами процесса для обеспечения гибкости управления и большей эффективности производства. Приведен обзор известных модификаций сетей Петри, применяемых при моделировании и проектировании гибких производственных систем, таких как: обыкновенные сети, сети с приоритетом, раскрашенные сети, ингибиторные, временные и др. На основе анализа известных сетей определена их невозможность применения к описанию возможных последовательностей операций процесса приготовления шихты в виду неоднозначности выполнения сети. Намечены пути преодоления указанного недостатка.

Во второй главе предложены метод и алгоритм модификации обыкновенных сетей Петри, на основе их расширения множествами входных Р; и выходных Р0 позиций. Такое расширение позволяет исключить недетерминизм выполнения сетей. Для нахождения минимально необходимых множеств входных и выходных позиций предложена графовая модель активности переходов. Установлена целесообразность применения модифицированных сетей в качестве управляющих моделей технологических процессов.

Пусть дана обыкновенная сеть N = <Р, Т, I, О, цо >5

где:

• Р = {Рь Рг, • • •, Рв} - множество позиций сети;

• Т = {Т[, Тг, ..., Тб} - множество переходов сети;

• I: Р —► Т°- отображение переходов в комплекты позиций - входная функция;

• О: Р —> Т00- отображение переходов в комплекты позиций

- выходная функция;

• цо = {1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0} - начальная маркировка сети.

И пусть дана последовательность срабатывания переходов:

Т, Т4 Т6 Т3 Т5 Т2.

При реализации сети выполнение заданной последовательности не обеспечивается из-за одновременной активности двух и более переходов. Для обеспечения детерминированности срабатывания переходов обыкновенной сети Петри осуществляется её модификация, алгоритм которой представлен на рисунке 1. Она основана на построении вспомогательной графовой модели:

в = <Т, !5>,

где:

Т - множество вершин графа, каждая из которых взаимно однозначно соответствует некоторому переходу сети;

Б — отношение смежности, заданное на множестве Т, пара С Б, если и ^ одновременно активны хотя бы на одном шаге очередности срабатывания переходов.

Задача нахождения множеств входных и выходных позиций обыкновенных сетей минимальной мощности сводится к задаче минимальной раскраски графа О. Каждая краска ассоциируется с некоторой входной/выходной позицией, а соцветные вершины соответствуют переходам, во входной/выходной функции которых содержатся эти позиции.

В итоге получаем следующую структуру модифицированной сети Петри:

N = <РУ, Т, I, О, (ю, Рь Р0,1ь 00>,

где:

• Ру={Рь Рз} - множество внутренних позиций сети;

• Р; ={Рц, Р;2, Рв, Рм} - множество входных позиций сети;

• Р0={Роь Ро2, Роз, Род}- множество выходных позиций сети;

Рисунок 1 - Алгоритм модификации обыкновенных сетей Петри

• 1|: —»-Т00 - отображение переходов в комплекты входных позиций - входная функция;

• 00: Р0 —>Тда - отображение переходов в комплекты выходных позиций - выходная функция.

Полученная модификация сети выгодно отличаются от известных ранее модификаций свойством, присущим только ей, а именно, способностью реализации требуемой последовательности срабатывания переходов из множества возможных вариантов выполнения сети. Требуемая последовательность срабатывания переходов обеспечивается множеством входных позиций сети, т.е. любой последовательности появления фишек во входных позициях соответствует одна и только одна последовательность срабатывания переходов из множества возможных последовательностей выполнения сети.

Фишки, появляющиеся во входных позициях сети, соответствуют сигналам датчиков, установленных на объекте управления, а фишки, появившиеся после срабатывания переходов в выходных позициях - сигналы управления технологическим оборудованием объекта управления. В целом, модифицированная сеть адекватно отражает процесс управления и позволяет проектировать управляющую модель технологического процесса.

С целью сокращения программных и аппаратных затрат при реализации модифицированных сетей разработан метод их минимизации. Задача минимизации сетей формулируется по аналогии с задачей минимизации автоматных моделей. Она состоит в нахождении среди множества эквивалентных сетей такой, которая содержит минимальное число позиций, переходов и дуг, соединяющих их. Исходя из структуры модифицированных сетей N = <РУ, Т, I, О, Но, Рь Ро, Ъ, Оо> и правил запуска её переходов, предложена следующая формулировка их эквивалентности: две

модифицированные сети Петри эквивалентны, если при любой последовательности появления фишек в их входных позициях, в выходных позициях количество фишек сохраняется.

Минимизация модифицированных сетей осуществляется нахождением эквивалентных внутренних позиций и переходов с их последующей заменой одной внутренней позицией и переходом.

Для нахождения эквивалентных позиций и переходов сети Петри предложена последовательность процедур. Реализация представленного метода минимизации сетей Петри подробно описана в работе.

Третья глава посвящена разработке методов и алгоритмов композиции модифицированных сетей Петри для обеспечения корректности их совместного функционирования. Для описания параллельно одновременного функционирования составляющих процесса предложены произведение модифицированных сетей и алгоритм его реализации, а для представления параллельно не одновременного функционирования - композиция сетей. Для обеспечения автоматизированного проектирования управляющей модели технологического процесса на основе модификации сетей, методов и алгоритмов их композиции предложена блок-схема проектирования управляющей модели при изменениях последовательности технологических операций (техрегламента).

Произведением модифицированных сетей Петри Na = (Ра, 1а, Оа, М-а, Pia? Роа> lia, Ооа) (рис. 2а) И Nb = (Pb, Tb, lb, Ob, Hb, P¡b, Pob» lib, Oob) (рис. 26) называется сеть Петри N = (Р, Т, I, О, ц, P¡, Р0, I¡, Оо),

где:

Р = Ра X РЬ = {(pai, Pbi) / Pai € Ра, Pbi € Pb,},

T = Ta X Tb = {(tai, tbi) / tai С Ta, tbi € Tb,},

I (Pai, Pbi) = laPai X Ibpb¡,

O (pai, Pbi) = 0apai X Obpbi-

Pi = Р1аХРш = {(Р1а], Р^) / р!а]еР[а, Р^СРш,}, Ро = РоаХРоЬ = {(Ро;у? РоЬу) / Роа|СРоа> Ро^бРоЬ?}? Ъ (Роа^ РоЬ|) = OoaPoaj X О0ьр0^5 00 (р1а.Ь Р^') = 1|ар1а] X

Ц = ЦаХ|ХЬ

Алгоритм параллельной композиции сетей, представлен на рисунке 3.

а) Ма (Ра, Та, 1а, Оа, Ца? Роа> Ооа)

б) Ыь = (Рь, Ть, 1Ь, 0Ь, Ць- Р(Ь> РоЬ 1,-ь, Ооь)

Рисунок 2 — Модифицированные сети Петри

Матричное представление произведения сетей осуществляется следующим образом:

Строятся матрицы входной и выходной функций, Б" и Б+ соответственно, а также матрицы входной функции входных позиций сети Р; и выходной функции для выходных позиций Р0 сети, Б"; и Б+0, соответственно.

Рисунок 3 - Алгоритм параллельной композиции сетей

13

Для сети = (Ра, Та, 1а, Оа. Ца, Р|а, Роа, 1>а, Ооа):

Ра1 Ра2

1) =

Ра!

Ра2

1а2

1 О О 1

1а2

1а1 Ьа2 В"|=Р!а1||1 1

0+о =

Роа1 1

1

Для сети Ыь = (Рь, ть, 1ь, Оь, ць, Р|Ь, Р0ь, Ьы ОоЬ):

Ры С= РЬ2 Рьз

о =

%2

(1 1 О О

0 0 11.

О 1 1

О

Рл

¡ы

0-! =

'й>2

1Ь2 1ьз

1 0 1 0

0 1 0 1

Ры РЬ2 РЬЗ 1

Ъл 1 0

1Ь2 0 1

0 1

1 0

РоЫ РоЬ2

1 0

0 1

1ьз 1 0

1ь4 0 1

Матрица входной Б" и выходной функций а также матрицы входной функции входных ПОЗИЦИЙ Б"; и выходной функции для выходных позиций Б+0 искомой сети Петри N получаются путем перемножения соответствующих матриц сетей Ма и N„1

11 12 1з 14 Ъ и 17 18

Р] 1 1 0 0 1 0 0 0 0

р2 0 0 1 1 о 0 0 0

_Рз 0 1 1 0 1 0 0 0 0

Р4 0 0 0 0 , Г 1 0 0

Р5 0 0 0 0 1 о 0 1 1

Рб 0 0 0 0 I 0 1 1 0

»1 к ь 14 и ъ

_Р-1 1 0 1 0 1 0 1 0

Р|2 0 1 0 1 0 1 0 1

Р1 р2 Рз Р4 Р5 Рб Ро1 Ро2

0 0 0 1 0 1 11 1 0

12 0 0 0 0 1 1 0 1

1з 0 0 0 0 1 0 ъ 1 0

14 0 0 0 1 0 0 и 0 1

--- »+о= -

1 0 1 ООО 15 1 0

16 0 1 1 ООО к 0 1

17 0 1 0 ООО ь 1 0

18 1 0 0 ООО и 0 1

На основании полученных матриц строится сеть 1М, являющаяся произведением сетей N,4 и Кь- Представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 — Модифицированная сеть N = (Р, Т. I, О, |а, Pj, Р(

Данный метод композиции позволяет описывать параллельно одновременное функционирование сетей. Однако при реализации последовательности технологических операций процесса не всегда необходимо параллельно одновременное их функционирование, вследствие чего предложен иной способ композиции, алгоритм реализации которого представлен на рисунке 5.

Пусть даны модифицированные сети Ni = <Pvi, Ть I, О, цоь Pil, Pol, Iil, Оо1> и N2 = <PV2, т2, I, О, |i02, Pi2, Po2, Ii2, Oo2>, ИХ ПОследовательности срабатывания переходов Tj = {Т0Т2Т3Т1Т3} и Т2 = {Т4Т5Т6Т8Т7Т9} и начальные маркировки |ioi = (1 1 0 0} и ц02= {1 00 1 ООО 1}.

Композицию этих сетей производим следующим образом: 1. Из позиций, находящихся во входной функции переходов, первых в последовательности срабатывания, изымаем фишки. Маркировка сетей становится pioi " {0 1 0 0} и цог - {0 0 0 1 0 0 0

2. Для объединения сетей используем дополнительные две

Ij, Оо) - произведение сетей Na и Nb

пары позиция - переход, в выходную функцию перехода первой пары включаем позиции объединяемых сетей, из которых были изъяты фишки. Срабатывание перехода в первой паре, вернет фишки в позиции, находящиеся во входной функции переходов, первых в последовательности срабатывания, что ассоциируется с одновременным началом функционирования сетей N1 и N2;

Рисунок 5 - Алгоритм параллельно не одновременной композиции модифицированных сетей

3. Дублируем выходные позиции объединяемых сетей, в которых появляется фишка при срабатывании последнего перехода в последовательности срабатывания переходов сетей;

4. Добавляем во входную функцию перехода второй пары позиция - переход, продублированные выходные позиции, причем кратность выходных позиций переходу равняется числу фишек в ней после срабатывания последнего перехода из последовательности срабатывания сети, а также, позиции объединяемых сетей, из которых были изъяты фишки.

Срабатывание перехода из второй пары позиция - переход ассоциируется с окончанием параллельно не одновременной работы сетей. Получаем сеть, описывающую композицию сетей N1 И N2.

Предложенный способ композиции модифицированных сетей Петри, адекватно описывает параллельно не одновременную работу составляющих технологического процесса. Полученная сеть пригодна в качестве управляющей модели параллельно не одновременно протекающими технологическими процессами.

Для осуществления различных вариаций техрегламентов, необходима автоматизированная перестройка управляющей модели процесса. Для этого применимы методы композиции модифицированных сетей Петри, описывающих функционально независимые части процесса, с помощью которых осуществляется объединение сетей в соответствии с техрегламентом функционирования технологического оборудования и реализуемых на нем технологических операций.

Блок - схема проектирования управляющей модели технологического процесса представлена на рисунке 6.

База моделей содержит модифицированные сети, описывающие независимо (в некотором смысле) функционирующие части технологического процесса. Смену техрегламента процес-

17

са осуществляет пользователь, который определяет состав оборудования, участвующего в технологическом процессе и режимы их совместной работы. На основании введенных данных, с использованием необходимых моделей, методов и алгоритмов, формируется управляющую модель процесса.

Методы и алгоритмы композиции модифицированных сетей Петри, применяемые при проектировании управляющей модели технологического процесса, обеспечивают корректную и безаварийную совместную работу функционально независимых частей процесса, а именно, реализация управляющей модели обеспечивает безопасность выполняемых технологических операций процесса, гибкость управления, а также ритмичность и эффективность производства в целом.

Рисунок 6 - Блок-схема проектирования управляющей модели технологического процесса

В четвертой главе построены управляющие модели функционирования шнекового и непрерывного дозаторов, а также процесса смешивания дозировочно-смесительного передела участка приготовления шихты №2 (УПШ №2) ОАО «Иристонстек-ло» в терминах модифицированных сетей. На основе методов и алгоритмов композиции, разработанных в 3 главе, построены сети совместного параллельно и параллельно не одновременного функционирования шнекового и непрерывного дозаторов.

Построение управляющей модели дозировочно-смесительным переделом осуществляется с использованием блок-схемы (рис. 6) и техрегламента, реализуемого на УПШ №2 (табл. 1).

Таблица 1 - Техрегламент УПШ №2

Номер доза- Компонент Очередность

тора выгрузки (группировка)

1 Песок 1

2 Песок 2

3 Глинозем 1

4 Сода 2

5 Доломит 3

6 Селитра 3

7 Сульфат 3

8 Мел 1

9 Мелкие до- 2

бавки

Техрегламент (табл. 1) характеризуется определенной очередностью функционирования дозаторов. Сначала включаются транспортер, элеватор, смеситель и затем начинают работать дозаторы №1, 3 и 8, их функционирование осуществляется параллельно не одновременно, окончание их работы разрешает запуск дозаторов № 2, 4 и 9, функционирование которых также парал-

лельно не одновременное, их окончание вызывает запуск последних трех дозаторов - № 5, 6 и 7. В итоге, функционирование дозаторов процесса дозирования в каждой части техрегламента параллельно не одновременное, но обязательным является окончание работы всех дозаторов ¡каждой части, для разрешения запуска последующих. Такой принцип дозирования реализует предварительное смешивание сырьевых материалов на транспортере и элеваторе перед попаданием компонентов шихты в смеситель. При разработке управляющей модели дозировочно-смесительным переделом участка приготовления шихты №2 ОАО «Иристонстекло» применяется композиция параллельно не одновременного функционирования модифицированных сетей.

Управляющая модель, реализующая управление дозировочно-смесительным переделом, представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Управляющая модель функционирования 9 дозаторов, в соответствии с техрегламентом дозирования (табл. 1)

В заключении приводятся основные результаты диссертационного исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана модифицированная сеть Петри, исключающая недетерминированность срабатывания переходов, что позволяет упорядочить последовательность их срабатывания в соответствии с техрегламентом технологического процесса.

2. Предложена графовая модель активности переходов, позволяющая находить множества входных и выходных позиций минимальной мощности при преобразовании обыкновенных сетей Петри в модифицированные.

3. Разработан метод минимизации модифицированных сетей Петри для сокращения программных и аппаратных затрат при их реализации.

4. Разработаны методы и алгоритмы композиции модифицированных сетей для построения управляющих моделей составляющих процесса. Предложена блок-схема проектирования управляющих моделей процесса, получающихся при изменениях техрегламента.

5. Построены сети функционирования шнекового и непрерывного дозаторов и процесса смешивания в терминах разработанной модификации и реализованы предложенные методы композиции при построении управляющей модели дозировочно-смесительным переделом УПШ №2 ОАО «Иристонстекло».

6. Основные теоретические и практические результаты диссертации внедрены на ОАО «Иристонстекло», что позволило повысить эффективность управления технологическим процессом приготовления шихты, сократить брак готовой продукции и уменьшить число аварийных ситуаций. Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 760 тыс. руб. в год. Отдельные материалы и результаты работы используются в учебном процессе СКГМИ (ГТУ).

21

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

Публикации в eedyufux рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК

1. Маслаков М. П., Котов Н. А. Моделирование технологических процессов в стекольной промышленности с целью выявления аварийных ситуаций // Технологии техносферной безопасности: (электронный журнал). №3 (31), М., 2010.

2. Маслаков М. П. Моделирование сетями Петри технологических процессов приготовления шихты // Перспективы науки. №4 (06), Тамбов, 2010. С. 78 - 82.

3. Маслаков М. П. Использование сетей Петри при моделировании автоматизированной системы управления технологическим процессом составления (приготовления) стекольной шихты // Информационные системы и технологии. №2 (64), Орел, 2011. С. 55-63.

4. Дедегкаев А. Г., Маслаков М. П. Моделирование технологического процесса стекольного производства модифицированными сетями Петри, на примере ОАО «Иристонстекло» // Устойчивое развитие горных территорий. №4 (14), Владикавказ, 2012. С. 35-40.

Публикации в других изданиях

5. Маслаков М. П., Дедегкаев А. Г. Автоматизация управления заготовительным комплексом предприятий стекольной промышленности // Труды молодых ученых. №1, Владикавказ, 2009. С. 68 - 72.

6. Маслаков М. П., Дедегкаев А. Г. Автоматизированные системы контроля и регулирования технологическими процессами приготовления шихты стекольной промышленности // Молодой ученый. №12, Чита, 2009. С. 66 - 68.

7. Маслаков М. П., Дедегкаев А. Г. Энергосберегающие технологии в АСУТП заготовительных комплексов предприятий стекольной промышленности // Молодой ученый. №1, Чита, 2008. С. 107-110.

8. Маслаков М. П., Маслаков Д. П. Операции над сетями Петри // Материалы Международной заочной научно-практической конференции «Физико-математические науки и информационные технологии: актуальные проблемы». (11 июня 2012 г.). - Новосибирск: Изд. «Сибирская ассоциация консультантов», 2012. С. 12 - 16.

9. Дедегкаев А. Г., Маслаков М. П., Маслаков Д. П. Применение модифицированных сетей Петри при композиции моделей параллельных технологических операций // Сборник трудов Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Проблемы автоматизации. Региональное управление. Связь и автоматика (Паруса 2012)». (16-17 ноября 2012г.) - Геленджик: Издательство Южного федерального университета, 2012. С. 36 - 40.

Подписано в печать 6.05.2013г. Формат 60x84 716. Бумага офсетная. Гарнитура

«Тайме». Печать на ризографе. Усл. п.л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 87.

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический

университет. Издательство «Терек».

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).

362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

на правах рукописи

Маслаков Максим Петрович

04201358636

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ШИХТЫ

Специальность 05.13.12 - «Системы автоматизации проектирования (промышленность)»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор кафедры ПЭ Дедегкаев А. Г.

Владикавказ -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................5

Глава 1. Анализ состояния автоматизации технологических процессов приготовления стекольной шихты и возможности совершенствования управления ими.....................................................................................9

1.1. Анализ технологического процесса приготовления стекольной шихты и текущего состояния уровня автоматизации участков приготовления стекольной шихты...........................................................................9

1.2. Постановка задачи совершенствования управления процессом приготовления стекольной шихты..........................................................15

1.3. Анализ обыкновенных сетей Петри и их известных модификаций и областей их применения..................................................................18

1.3.1. Возникновение теории сетей Петри....................................18

1.3.2. Обыкновенные сети Петри................................................19

1.3.3. Ингибиторная сеть со сдерживающими дугами.....................22

1.3.4. Сети Петри с приоритетом................................................23

1.3.5. Временные сети Петри.....................................................24

1.3.6. Раскрашенные (цветные) сети Петри...................................25

1.3.7. Применение обыкновенных сетей Петри и их модификации к построению управляющих моделей процесса приготовления шихты.............28

1.4. Выводы глава 1................................................................30

Глава 2. Модификация обыкновенных сетей Петри и их минимизации.............................................................................................31

2.1. Структура модифицированных сетей Петри............................31

2.2. Метод и алгоритм модификации обыкновенных сетей Петри......35

2.3. Модифицированная сеть - управляющая модель технологического процесса......................................................................................40

2.4. Метод минимизации модифицированных сетей Петри на основе их эквивалентных преобразований.........................................................43

2.5. Выводы к главе 2..............................................................53

Глава 3. Разработка методов и алгоритмов композиции модифицированных сетей Петри........................................................................54

3.1. Произведение сетей Петри автоматного типа...........................54

3.2. Параллельная композиция сетевых моделей конечных автоматов.............................................................................................60

3.3. Произведение обыкновенных сетей Петри...............................66

3.4. Произведение модифицированных сетей Петри........................69

3.5. Параллельно не одновременная композиция модифицированных сетей Петри.................................................................................74

3.6. Проектирование управляющих моделей технологического процесса на основе модифицированных сетей и методов их композиции................77

3.7. Выводы главы 3...............................................................81

Глава 4. Применение модифицированных сетей Петри и методов их

композиции к построению управляющих моделей технологического процесса приготовления стекольной шихты (на примере ОАО «Иристонстекло»)......82

4.1. Построение модифицированных сетей дозировочно-смесительного передела технологического процесса приготовления стекольной шихты.....82

4.1.1. Построение модифицированной сети функционирования шнекового дозатора................................................................................84

4.1.2. Построение модифицированной сети функционирования непрерывного дозатора...........................................................................91

4.1.3. Построение модифицированной сети процесса смешивания.............................................................................................95

4.2. Построение управляющей модели дозировочно-смесительного передела методами композиции модифицированных сетей.........................98

4.2.1. Применение произведения модифицированных сетей..............99

4.2.2. Композиция модифицированных сетей при параллельно не одновременном функционировании дозаторов..........................................106

4.2.3. Построение управляющей модели дозировочно-смесительным

переделом..................................................................................107

4.3. Выводы глава 4...............................................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................111

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................112

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Произведение модифицированных сетей функционирования шнекового и непрерывного дозаторов.................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акты внедрения..........................................144

ВВЕДЕНИЕ

Современные технологические объекты шихтоподготовки характеризуются многообразием технологического оборудования. Приготовление шихты на этом оборудовании связано с последовательной, параллельной и последовательно-параллельной обработкой сырьевых материалов, участвующих в процессе получения готового продукта.

Сказанное в полной мере относится к процессу производства изделий из стекла, эффективность которого существенно зависит от качества стекольной шихты. На качество шихты влияет не только ее состав, но и ее однородность, зависящая от неукоснительного соблюдения последовательности технологических операций (техрегламент) процесса, которая обеспечивается эффективным управлением.

При изменении номенклатуры выпускаемой стекольной продукции требуется обеспечить решение одной из основных задач технологической подготовки производства, а именно разработки управляющей модели технологического процесса изготовления изделия, адекватно реализующей заданный техрегламент на основе применения математического аппарата, позволяющего описывать параллельное и последовательное взаимодействие частей процесса. Выбор сетей Петри в качестве аппарата решения этой задачи связан с возможностью ими адекватно описывать взаимодействие составляющих процесса, проверять согласованность работы оборудования и выявлять нежелательные ситуации (конфликтные, аварийные и т.д.). Однако применение обыкновенных сетей Петри, а также их известных модификаций при проектировании управляющих моделей осложнено недетерминированностью их выполнения, что может приводить к нарушению необходимой последовательности выполнения операций процесса.

В связи с выше сказанным, становится актуальной задача разработки метода автоматизированного проектирования управляющих моделей процесса, при возможных вариациях техрегламента. Решение этой задачи связанно с необходимостью нахождения такой модификации обыкновенных сетей Пет-

5

ри, которая обеспечила бы протекание процесса в строгом соответствии с техрегламентом.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование моделей, методов и алгоритмов проектирования технологической подготовки процесса приготовления шихты.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Исследование технологического процесса приготовления шихты, как единого целого, составленного из множества взаимосвязанных и взаимообусловленных подпроцессов.

2. Разработка сети, в которой исключен недетерминизм срабатывания переходов, при одновременной активности двух и более из них.

3. Разработка методов и алгоритмов композиции сетей, обеспечивающих их параллельное и параллельно не одновременное функционирование.

4. Разработка метода минимизации сетей, для сокращения числа их позиций и переходов.

Методы исследования. В работе использовались методы теории множеств, теории графов и автоматов, теории сетей Петри.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложена графовая модель активности переходов, минимальная раскраска которой позволяет осуществить разбиение множества переходов на подмножества попарно не активных.

2. Разработаны метод и алгоритм модификации обыкновенных сетей Петри, исключающие возможность нарушения детерминированности срабатывания переходов.

3. Предложены метод и алгоритм композиции параллельно протекающих составляющих технологического процесса, основанные на использовании прямого произведения сетей Петри.

4. Разработан метод минимизации модифицированных сетей выявлением эквивалентных позиций и переходов с последующей их заменой одной позицией и одним переходом для уменьшения затрат на реализацию сетей.

6

Обоснованность и достоверность научных положений обеспечивается результатами вычислительных экспериментов и экспериментальных исследований, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также практическими результатами внедрения научных исследований в реальное производство.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработанная модификация обыкновенных сетей Петри позволяет исключить недетерминизм срабатывания переходов и тем самым, обеспечить реализацию одной и только одной последовательности срабатывания переходов при выполнении операций, составляющих технологический процесс.

2. Разработанные методы и алгоритмы композиции модифицированных сетей позволяют проектировать управляющие модели технологического процесса при всех возможных вариациях техрегламента работы.

3. Предложенные методы и алгоритмы использованы при автоматизации проектирования технологической подготовки процесса приготовления шихты, что позволило реализовать управление им во всем диапазоне изменений последовательности технологических операций при изменении номенклатуры выпускаемой продукции.

Результаты диссертационной работы внедрены на ОАО «Иристонстекло», что позволило получить экономический эффект в размере 760 тыс. руб. в год. Отдельные материалы и результаты работы используются в учебном процессе СКГМИ (ГТУ).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Проблемы автоматизации. Региональное управление. Связь и автоматика (Паруса 2012)», г. Геленджик, 2012г., а также на ежегодных научно-технических конференциях, проводимых в СГКМИ (ГТУ) в 2008 г.-2011 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 67 наименований, и 2 приложений. Содержание работы изложено на 146 листах машинописного текста и включает 49 рисунков и 35 таблиц.

Глава 1. Анализ состояния автоматизации технологических процессов приготовления стекольной шихты и возможности совершенствования управления ими

1.1. Анализ технологического процесса приготовления стекольной шихты и текущего состояния уровня автоматизации участков приготовления стекольной шихты

В настоящее время на стекольных заводах шихты приготавливают в механизированных участках приготовления шихты, где предусматривается полный цикл операций по подготовке и усреднению сырья. Однородная увлажненная смесь сырьевых материалов, составленная по рецепту в соответствии с заданным составом стекломассы и на основе химического состава сырьевых материалов, называется стекольной шихтой [23]. Основным показателем качества стекольной шихты является ее химическая однородность — соответствие заданному составу шихты во всех микрообъемах одного отвеса. Однородность шихты зависит от гранулометрии сырьевых компонентов, от постоянства их химического состава, от точности дозирования, условий смешивания компонентов шихты и соблюдения техрегламента процесса приготовления, что обеспечивается эффективным управлением. Гранулометрический состав зависит от оптимальности процесса обработки сырьевых компонентов, включающей в себя:

• помол и дробление тех материалов, которые поступают на завод в виде кусков (доломит, известняк, уголь);

• сушку тех материалов, которые поступают на завод с высокой степенью влажности (песок, доломит, известняк);

• просеивание всех поступающих на завод материалов через сетки определенного размера [23].

Химический состав сырья определяется в заводских лабораториях. Оптимальность смешивания и правильность дозирования достигается совре-

менными автоматизированными линиями, применяемыми на стекольных заводах.

На участках приготовления шихты (УПШ), обобщенная структурная схема которых представлена на рисунке 1.1, реализуется технологический процесс приготовления стекольной шихты для тарной продукции. УПШ состоит из двух переделов: заготовительного и дозировочно-смесительного.

Заготовительный передел (ЗП) включает в себя около 9 линий подготовки сырьевых материалов, составляющих стекольную шихту. Основное сырье стекольной шихты это песок, глинозем, доломит, сода, селитра, содо-сульфатная смесь, мел [63]. Подготовленные сырьевые материалы поступают в бункера запаса дозировочно-смесительного передела (ДСП), на котором составляется шихта в соответствии с заданным лабораторным рецептом и тех-регламентом дозирования и смешивания. ДСП состоит из одной дозировочной и двух смесительных линий (для обеспечения резерва на случай аварийных ситуаций), а также комплекса дозирования смеси мелких компонентов (КДСМК).

Заготовительный передел участка практически не оснащен современными средствами автоматизации, все технологические операции осуществляются на устаревшем оборудовании, нет автоматизированной системы управления операциями процесса. Единственным регулятором является оператор-технолог, который как управляет всем оборудованием, так и контролирует результаты их выполнения. В связи с этим фактом, возникают аварийные ситуации, влияющие («тормозящие») на ход процесса заготовки сырьевых материалов, а также на функционирование дозировочно-смесительного передела (нарушение техрегламента процесса и качества подготавливаемых сырьевых материалов).

На заготовительном переделе реализуются операции грубого и тонкого измельчения известняка, либо доломита (щековая дробилка, шаровая мельница), сушка кварцевого песка (сушильный барабан), а также просеивание всех используемых при приготовлении шихты сырьевых материалов.

г

Рисунок 1.1- Обобщенная структурная схема УГШІ

її

Для большинства стеклоизделий кварцевый песок является основным сырьевым материалом (60-70 %). Качество кварцевого песка характеризуется химическим, зерновым и минералогическим составом. Кварцевый песок поступает на предприятия стекольной промышленности с высокой степенью влажности, его сушат в сушильных барабанах при определенной температуре. Не допускается пересушка и высокая увлажненность песка. Влажный песок затрудняет просеивание и процессы дозирования. Пересушенный песок вызывает термическую диссоциацию материала [23]. Не качественно подготовленный песок приводит к снижению однородности стекольной шихты, нарушению процессов стекловарения и снижению качества стеклоизделий.

Известняк, либо доломит поступает на заводы в виде более или менее крупных кусков. Для получения из них зерна необходимой фракции его измельчают. Существует две стадии измельчения: грубое и тонкое. Грубое измельчение производится в щековых или молотковых дробилках, и далее куски поступают в шаровые мельницы для осуществления тонкого измельчения, с последующим просеиванием и складированием в бункера запаса материала. Оптимальность измельчения влияет на качество стеклоизделий: если размеры зерен доломита или известняка не соответствуют требованиям на конкретный тип продукции, то в стекломассе появляются камни и узелки (внешний вид и прочность стеклоизделий нарушается) [14].

Все без исключения сырьевые материалы стекольного производства просеиваются. Для просеивания применяются сита-трясучки, сита-бураты и сита-вибраторы.

Подготовленное сырье бракуется при нарушении любой из выше рассмотренных операций [59]. Исходя из высокой стоимости сырья и энергии, затрачиваемой на их заготовку, необходимо обеспечить жесткий контроль и эффективное управление операциями заготовительного передела для повышения технико-экономических показателей предприятий стекольной промышленности.

ДСП участков приготовления шихты оснащены современными средствами автоматизации, функционируют системы автоматического управления (САУ), обеспечивающие автоматическое управление и контроль весовыми дозаторами дискретного действия, процессами смешивания взвешенных сырьевых материалов и увлажнения смеси, а также транспортными потоками линии в соответствии с техрегламентом работы, определенным на каждом предприятии [4, 36].

Однако при всех достоинствах данных САУ, возникают аварийные ситуации и простои, вызванные низкой технологической и операционной гибкостью управления самой системы из-за низкого уровня автоматизации