автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация технологического процесса производства листового стекла на основе математических моделей

Владимирский государственный университет

г. ,1 к:., >

На правах рукописи

Макаров Руслан Ильич

УДК 62-50:666.1

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОГО СТЕКЛА НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

05Л3.07 - автоматизация технологических процессов и производств (в промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Владимир 1998

Работа выполнена во Владимирском государственном университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Р. Е. Кузин

доктор технических наук, профессор О.Б. Низамутдинов

доктор технических наук, профессор В.А. Лабутин

Ведущая организация: Государственный научно-исследовательский институт управляющих машин и систем ( ГосНИИУМС, г. Пермь).

Защита состоится "У" 1998 г. в ^ часов на засе-

дании диссертационного совета Д.063.65.02 Владимирского государственного университета по адресу: 600026, г. Владимир, ул. Горького, 87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан " 3° " 0 ^_ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д-р техн. наук, профессор 'I А. К. Бернюков

С А ■ М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Листовое стекло представляет важнейший вид продукции, вырабатываемой стекольной промышленностью. Наибольшую часть листового стекла используют в промышленности, гражданском, жилищном и сельскохозяйственном строительстве. Крупными потребителями являются автомобилестроение, вагоностроение, железнодорожный транспорт. Тенденция развития производства листового стекла в мире такова, что новейший и наиболее прогрессивный флоат-процесс вытесняет остальные способы выработки стекла. Сегодня в мире более 75% листового стекла вырабатывается этим способом, а в США эта доля составляет 95%. В России все еше значительный объем листового стекла вырабатывается способом вертикального вытягивания (ВВС). Доля флоат-стекла составляет относительно небольшой вес.

В стекольной промышленности накоплен определенный опыт создания и внедрения АСУТП, использования вычислительной техники, математического моделирования и математических методов при проведении научных исследований. Первая управляющая ЭВМ типа УМНХ была внедрена на Лисичанском механизированном заводе в 1975-76 гг., немногим позже (1977 г.) при непосредственном участии автора этой работы была внедрена АСУТП стекловарения на базе мини-ЭВМ типа "Саратов" на Гусевском стекольном заводе Владимирской области. С момента внедрения первых промышленных систем на базе малых машин и аппаратуры государственной системы приборов в теории и практике создания и применения АСУ в стекольном производстве были достигнуты определенные результаты: разработаны основы построения АСУ с определением их функций, структуры и видов обеспечения; получили развитие новые информационные технологии на базе персональных ЭВМ; разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию задачи автоматизированного управления основным технологическим оборудованием и технологической линии по технико-экономическим показателям и др.

Тем не менее сложность физико-химических процессов, протекающих в технологическом оборудовании при производстве листового стекла, неточность аналитических моделей, сложность физического моделирования, негибкость физических моделей и их невысокая точность делают актуальными работы по созданию математических моделей и использованию их для прогноза и управления процессом производства стекла.

Проблемы математического моделирования, разработки автоматизированных систем управления технологическим процессом производства листового стекла привлекают внимание ученых и специалистов в России и за рубежом. Вопросы математического описания объектов управления и построения автоматизированных систем отражены в работах ученых и специалистов, среди которых в последнее время известны работы В.В. Кафарова, И.Н. Дорохова, В.Е. Маневича, H.A. Панковой, Е.П. Маркова, В.Ф. Солинова и др.

Данная работа отражает результаты научных исследований, выполненных в 1974-89 гг. Отраслевой лабораторией Министерства промышленности строительных материалов РСФСР при Владимирском политехническом институте и в последующие годы при непосредственном участии и под научным руководством автора.

Основные направления исследований. выполненные в работе, связаны с решением следующих задач.

1. Построение математических моделей процессов, протекающих в основном технологическом оборудовании производства листового стекла, позволяющих решать задачи управления отдельными агрегатами и технологической линией в целом.

2. Использование имитационного моделирования для предварительной настройки и оценки эффективности алгоритмов управления на этапе научных исследований на ранней стадии проектирования АСУТП стекольных производств.

3. Структурный синтез автоматизированных систем управления основного технологического оборудования и в целом участка варки-выработки в производстве листового стекла способом вертикального вытягивания и фло-ат-способом.

4. Разработка автоматизированных систем поддержки принятия решений на базе персональных ЭВМ для операторов - стекловаров и технологов стекольного производства.

5. Разработка нестандартных технических средств локальной автоматики и вычислительной техники для построения АСУТП стекольных производств.

На основе обобщения выполненных автором исследований в диссертации разработаны методы синтеза математических моделей, выбора алгоритмов и структуры автоматизированной системы управления, предложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит существенный вклад в теорию и практику автоматизированного управления слож-

ными технологическими процессами непрерывных производств.

Целью диссертационной работы является выработка концепции, разработка методов и средств автоматизации управления технологическим процессом варки-выработки в производстве листового стекла. Поставленные в работе цели достигнуты за счет решения следующих задач:

1. Сформулирована задача управления технологическим процессом производства листового стекла. Обоснованы критерии управления процессом варки-выработки. Проведена декомпозиция задачи управления. Выделены частные критерии управления основным технологическим оборудованием. Установлена целесообразность использования математических моделей в качестве датчиков состояния системы.

2. Разработаны математические модели случайных процессов возмущающих воздействий, режимных переменных основного оборудования и показателей качества вырабатываемого стекла. С использованием моделей определены параметры алгоритмов машинного контроля, прогнозирования тренда, план промышленного эксперимента по идентификации объектов управления (дискретность сбора данных, продолжительность эксперимента, отбор влияющих факторов и др. ).

3. Созданы математические модели, описывающие протекающие процессы в основном технологическом оборудовании участка варки-выработки, позволяющие решать задачи стабилизации технологических процессов, прогнозировать изменение свойств и содержание пороков в вырабатываемом стекле, принимать решения по упреждающей коррекции режимов работы основного технологического оборудования.

4. Разработан метод статистического моделирования систем автоматизированного управления с использованием ретроспективных данных, собранных с объекта в режиме нормальной эксплуатации (ручного управления). Реализован вычислительный эксперимент по настройке и испытанию алгоритмов управления, оценена их эффективность по сравнению с ручным управлением.

5. Синтезирована структура системы управления участка варки-выработки листового стекла и основного оборудования с использованием микропроцессорных средств автоматики, персональных ЭВМ и локальных сетей. Разработаны нестандартные устройства для контроля работы технологического оборудования, счета листов стекла и комплексирования микропроцессорных средств автоматики с персональной ЭВМ в единую вычислительную систему.

-46. Разработаны программные средства идентификации случайных процессов и моделирования систем управления, создано математическое и программное обеспечение для автоматизированных рабочих мест оператора и те;снолога стекольных производств, прикладное математическое и программное обеспечение для АСУТП стекловарения.

7. Решен комплекс задач, связанный с созданием и внедрением автоматизированных систем управления основным технологическим оборудованием и технологической линией производства листового стекла на ведущих промышленных предприятий отрасли.

Методы исследования

В основу решения поставленных задач положен выполненный на базе кибернетического подхода анализ технологического процесса производства листового стекла на примерах флоат-способа и способа вертикального вытягивания, синтез структуры моделей процесса и автоматизированной системы управления. Модели строились на основе введенных в рассмотрение режимных переменных и формальных математических соотношений между режимными и выходными переменными в рамках синтезируемой структуры. Параметры моделей определялись с использованием статистических методов планирования эксперимента в условиях промышленной эксплуатации технологического оборудования. Выбор алгоритмов управления, оценка их эффективности проводилась путем имитационного моделирования функционирования автоматизированной системы управления на ЭВМ с использованием реальных данных, собранных в производственных условиях. Использован системный подход при синтезе АСУ технологической линии, основного технологического оборудования, автоматизированных рабочих мест технолога и оператора стекольного производства.

Научная новизна

1. Получены теоретические результаты в новом для стекольного производства направлении, связанные с использованием математических методов, моделирования и ЭВМ при проведении научных исследований и проектировании автоматизированных систем управления технологическими процессами в производстве листового стекла.

2. Предложен системный подход при проектировании АСУТП производства листового стекла.

3. Построены математические модели технологического процесса, протекающего в основном технологическом оборудовании при производстве листового стекла, позволяющие решать задачи управления процессом и в це-

лом технологической линией производства стекла.

4. Исследованы различные способы управления непрерывным технологическим процессом варки-выработки листового стекла: управление с технологической обратной связью и компенсационное управление. Показана эффективность использования методов математического программирования при решении задач компенсационного управления (планирования).

5. Предложена концепция и реализованы автоматизированные системы управления на основе распределенных структур с использованием микропроцессорных средств автоматики, цифровых вычислительных машин и локальных управляющих сетей.

Практическое значение

1. По плану Отраслевой лаборатории Министерства промышленности строительных материалов РСФСР при Владимирском политехническом институте в 1977 году впервые в России разработана и внедрена АСУТП стекловарения на ванной печи ВВС N1 Гусевского стеклозавода Владимирской области.

2. Для стекольного завода "Великий Октябрь" Тверской области в 199091гг. выполнены в полном объеме работы по разработке и проектированию АСУТП стекловаренными печами ВВС.

3. Для ОАО "Борский стеклозавод" выполнен комплекс научных исследований по разработке математических моделей и алгоритмов управления АСУТП линии производства полированного стекла. В 1992 г. передана в промышленную эксплуатацию подсистема поддержки принятия решений "Технолог стекольного производства".

4. Предложена концепция построения распределенной АСУТП производства полированного стекла на базе локальных сетей, микропроцессорных средств автоматики и персональных ЭВМ с единой информационной базой данных. Предложенные идеи использованы в Техническом задании на АСУТП производства полированного стекла для ОАО "Борский стеклозавод".

5. В практику научных производственных объединений и проектных конструкторских бюро отрасли промышленности строительных материалов внедрены математические модели, алгоритмы управления, программные средства и структуры распределенных АСУТП основного технологического оборудования и в целом технологического процесса производства листового стекла.

-66. Внедрены в практику предпроектиых работ комплекс методов и программ, реализующие вычислительный эксперимент в ускоренном масштабе времени, для исследования и оценки эффективности алгоритмов управления основного оборудования и участка варки-выработки листового стекла. Предложенные методы и пакеты программ внедрены в научную исследовательскую работу НИСа Владимирского государственного университета. Два алгоритма включены в Государственный и Отраслевой фонды алгоритмов и программ.

7.Четыре технических устройства АСУТП стекловарения, а также способ автоматического управления режимом студки ванной стекловаренной пени защищены авторскими свидетельствами на изобретения и внедрены на Гу-севском стекольном заводе. Изобретения демонстрировались на тематической выставке "Изобретатели высшей школы-народному хозяйству" в 1979 г. Авторы изобретения награждены медалями ВДНХ СССР.

8. Суммарный экономический эффект внедренных работ составил более одного миллиона рублей в ценах 1990 г.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Совокупность методов и программных средств автоматизации управления комплексом взаимосвязанных технологических операций при производстве листового стекла флоат-способом, а также способом ВВС;

2. Комплекс методов, алгоритмов и программ оптимального управления процессом стекловарения в ванных регенеративных печах на основе технических и экономических критериев с использованием математических моделей;

3. Методика и математическое обеспечение применения вычислительного эксперимента на предпроектиых стадиях создания АСУТП для обоснования и оценки эффективности алгоритмов управления с использованием накопленной технологической информации в условиях ручного ведения процесса производства листового стекла;

4. Методика применения статистических методов и теории планирования эксперимента для математического описания режимных переменных основного технологического оборудования и показателей качества вырабатываемого листового стекла с целью использования разрабатываемых моделей для стабилизации физических свойств готовой продукции;

5. Концепция применения распределенных микропроцессорных систем управления на базе использования локальных сетей и ПЭВМ для проектирования АСУТП основного технологического оборудования участка варки-выработки и в целом процесса производства листового стекла;

-76. Практические результаты внедрения разработанных математических моделей, алгоритмов управления и структурных схем в АСУТП стекольных производств.

Таким образом, в виде совокупности названных положений выносятся на защиту научно - технические результаты, вносящие вклад в дальнейшее развитие теории и практики управления сложными технологическими процессами непрерывных производств, каким является производство листового стекла.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 63 научных работах, в их числе одно учебное пособие, 7 авторских свидетельств на изобретения, 41 статья, опубликованные в общегосударственных и отраслевых изданиях, 10 статей , переведенные на английский язык и изданные в США "Plenum publishing corporation", два программных документа , депонированные в Государственном и Отраслевом фондах алгоритмов и программ, а также 12 отчетов о НИР.

Апробация работы

Основные научные результаты по мере их формирования представлены и одобрены на всесоюзных конференциях "Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУТП" (Москва, 1981, 1984, 1987 гг.); Всесоюзной научной конференции "Теория адаптивных систем и ее применения" (Ленинград, 1983 г.); Всесоюзной конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования" (Тамбов, 1989 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов" (Новосибирск, 1991 г.); отраслевой научно-технической конференции "Автоматизация процессов производства строительных стекломатериалов" (Киев, 1986 г.); отраслевых семинарах "Автоматизация в строительной промышленности" (Киев, 1990г.); школе - семинаре по проблемам управления качеством продукции (Москва, 1983 г.); Всесоюзном семинаре "Тепло-массоперенос при росте кристаллов" (Москва, 1985г.); Всесоюзном совещании - семинаре молодых ученых и специалистов "Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных машин и микроЭВМ " (Воронеж, 1989 г.); на Владимирских областных конференциях "Повышение эффективности работы электротехнических устройств и систем" (1983 г.), "Применение вычислительной техники и микропроцессоров в автоматизации производства предприятий энергетики, маши-

ностроительной и радиотехнической промышленности" (1985 г.); на техническом совете ПКБ Государственного института стекла (Москва, 1987 г.); научно-технических конференциях Владимирского политехнического института (ежегодно с 1979 по 1990 гг.); научных конференциях Владимирского государственного технического университета (ежегодное 1993 г.).

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит ^^ машинописных страниц текста, включая рисунков и таблиц. Список литературы содержит 216 наименований. Приложение содержит 39- страниц и материалы, подтверждающие внедрение результатов. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные научные и практические результаты, дана краткая аннотация, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируются особенности технологического процесса производства листового стекла как объекта управления и рассматриваются проблемы автоматизированного управления этим процессом. Исследовано управление процессом производства стекла флоат-способом, а также способом вертикального вытягивания, который на сегодня остается доминирующим на стекольных заводах России.

Вырабатываемое стекло должно обладать определенными физико-химическими свойствами, содержание пороков не должно превышать указанных допусков. Качество листового стекла регламентируется Техническими условиями ГОСТ 111-90. "Стекло листовое". Зависимость свойства стекла от химического состава изучена к настоящему времени достаточно полно. Наиболее значительные результаты в этом направлении получены Деминой Л.И., Аппеном A.A., Бартеневым Г.М., Вильнером Д.Е., Ильиной O.A., Тыкачин-ским И.Д. и др. Из иностранных авторов следует отметить работы Винкель-мана, Шотга, Гельгофа, Томаса, Маргетройда и др.

Пороки листового стекла разнообразны. Пороки стекломассы, как правило, являются общими для любого способа производства. Пороки на поверхности листового стекла в основном определяются технологическим процессом формования ленты стекла. Изучению влияния технологического режима стекловарения, формования ленты стекла и отжига на вид и содержание пороков посвящены работы Панковой H.A., Солинова В.Ф., Лалыкина Н.В.,

Мазурина О.В., Миронова В.Л., Покрасс Б.И., Уманского С.Э. и др. Свойства вырабатываемого листового стекла и пороки зависят от его химического состава, а также режима варки-выработки. В работах названных авторов и в других публикациях не рассматривается совместное влияние перечисленных факторов на свойства и пороки в стекле, что затрудняет решение задачи управления этим процессом.

Значительный прогресс вычислительной техники за последние годы привел к внедрению в стекольное производство средств вычислительной техники. Рассматривая тенденцию развития АСУТП на стекольных производствах зарубежных фирм можно отметить, что в настоящее время существуют полностью автоматизированные линии по производству стекла флоат-способом . Системы построены с применением микропроцессорных средств и роботов. На ЭВМ решаются технологические и организационно - экономические задачи управления.

Математическое моделирование процессов производства стекла как прикладное научное направление сформировалось в середине 80-х годов и стало одним из основных методов исследования и проектирования. Значительный вклад в становление и развитие нового научного направления в стекольном производстве внесли работы Соколова A.A., Пчелякова К.А., Кафа-рова В.В., Дорохова И.Н., Панковой H.A., Маневича В.Е. и др. Применению статистических методов на предпроектных стадиях научных исследований при разработке математического обеспечения автоматизированных систем управления, систем поддержки принятия решений посвящены работы Отраслевой лаборатории Министерства промышленности строительных материалов РСФСР при Владимирском политехническом институте, выполненные под научным руководством и при непосредственном участии автора данной диссертации.

Свободный рынок, конкуренция требуют непрерывного повышения качества вырабатываемого стекла и снижения издержек на его производство. Удорожание энергетических ресурсов и сырьевых материалов ставят задачу их экономного использования за счет уменьшения удельного расхода газа и электроэнергии в технологическом процессе и снижения отходов в процессе производства. Эти задачи можно решить за счет оптимального управления технологическим процессом производства листового стекла. Как объект управления основное технологическое оборудование стекольных производств характеризуется сложностью протекающих в них физико-химических процессов: высокой инерционностью, наличием интенсивных возмущающих воз-

действий, многомерностью и отсутствием непрерывного контроля ряда режимных переменных, показателей качества исходного сырья, физических и химических свойств вырабатываемого листового стекла и содержащихся в нем пороков. Аналитический контроль исходного сырья и готовой продукции осуществляется на основе пробоотбора с дальнейшим анализом проб в заводской лаборатории. Высокий уровень возмущающих воздействий, значительная инерционность каналов управления требуют применения в качестве основного принципа управления метода компенсации возмущений с использованием математических моделей объекта в качестве датчика состояния системы.

В заключении первой главы сформулированы основные задачи, решаемые в диссертации.

Во второй главе рассмотрены вопросы целеполагания и формулирования задачи оптимального управления комплексом взаимосвязанных технологических операций в производстве листового стекла флоат-способом. Структуризация целей и функций АСУ производства листового стекла выполнена по методике, разработанной группой ученых томских вузов, авторами первого варианта которой были Перегудов Ф.И., Ямпольский В.З., Сагатовский В.Н., Кочнев Л.В. С использованием разработанной структуры целей и функций системы проведена классификация задач управления производством полированного стекла. Основным критерием для оценки работы стекольного производства выбрана прибыль, получаемая на временном интервале управления. При имеющемся портфеле заказов на листовое стекло в качестве критерия управления может выбираться цеховая себестоимость стекла, которая функционально связана с прибылью. Структура задачи управления задана матрицей смежности, каждая строка которой соответствует одной из функций, а столбцы - переменным задачи управления. После группирования строк (функции расчета цеховой себестоимости ЦСС и качества в одну строку) матрица смежности превращается в диагональную форму с вертикальным окаймлением (табл.1). В этой матрице связующими переменными для всех функций является производительность технологической линии Gc. А для функции выработки листового полированного стекла и возвратных отходов - режим отжига U0.

В диссертации исследуются технологические процессы, протекающие на наиболее сложном участке - варки-выработки в производстве листового стекла. От автоматизации управления этим участком зависят качество стекла, отходы и экономические показатели работы производства. Контролируемые

переменные представляют собой нестационарные по математическому ожиданию случайные функции времени.

Таблица 1

Технологии, оборудование Произв. Стекловаренная печь Флоат-ванна Печь отжига Резные столы

Переменные ft G„, G5 Qr UC1 w„ G4 иф W„ u„ GM U„

Функции: 1.Варка стекломассы, ЦССс ' Y-. T'/«l """1 * i г 0 0 0 0 0": 1: -I 0 0 1 1

2.Выработка листового стекла, ЦСспс t " i ' >......!

3 Возвратные отходы полирован, стекла 0 0 0 0 0 0 0 0 P i :

Учитывая особенности работы технологического оборудования участка варки-выработки, для описания случайных процессов автором выбрана модель контролируемых переменных следующей структуры:

Z(t)=B(t)+C(t)+X(t)+E(t),

где B(t) - постоянная или медленно изменяющаяся непериодическая функция в пределах длины реализации; C(t) - гармоническая функция с фиксированным периодом; X(t) - стационарный случайный процесс с нулевым математическим ожиданием; E(t) - случайная помеха измерения.

Составляющие модели принимаются взаимно не коррелированными. В этом случае методика синтеза модели предусматривает разложение процесса Z(t) на компоненты B(t), C(t), X(t), E(t), раздельное их изучение и представление нестационарного процесса как результата совместного воздействия составляющих компонентов. Разработанные автором диссертации алгоритм и программа обработки нестационарных случайных процессов зарегистрированы в Отраслевом фонде алгоритмов и программ. Разработанные модели случайных процессов использовались при выборе параметров алгоритма централизованного контроля проектируемых АСУТП стекольных производств, а также при планировании промышленного эксперимента по разработке математических моделей.

В иерархической структуре управления производства листового стекла участок варки-выработки представляет собой относительно самостоятельную систему, включающую в себя подсистемы нижнего уровня - управления тех-

нологическим процессом стекловарения, формования ленты стекла и отжига (см. рисунок)

Структура система управления процессом варки-выработки: I - внешняя среда; 2 - вышестоящая система управления производством листового стекла; 3 - система управления участком варки - выработки; 4 - система управления участком резки - упаковки; 5, 6. 7 - нижестоящие подсистемы управления технологическими процессами стекловарения, формования ленты и отжига ленты стекла

Функции системы представлены в виде набора преобразований, протекающих в технологическом оборудовании. Задача анализа и разработки системы заключается в определении содержания множеств входов X = {Х1}; множеств режимных переменных = множеств выходов У = {У1},

изучении зависимостей между ними и возможных преобразований множеств G:\V-Y, Т:Х-\У, М:Х-У.

Для уменьшения размерности решаемой задачи из множеств X, V/, У выбраны определяющие (базовые) переменные на основе проведенного статистического анализа с учетом априорной информации об их влиянии на технологический процесс.

В третьей главе исследованы и разработаны математические модели, описывающие свойства и пороки вырабатываемого листового стекла в зависимости от значения определяющих режимных переменных, состава шихты и возмущающих воздействий по изменению производительности линии, толщины вырабатываемого стекла, температуры окружающей среды. Автором предложена методика формализации выбора структуры регрессионных моделей, основанная на статистическом анализе экспериментальных данных, собранных с технологической линии, и использовании априорной информации о технологическом процессе производства листового стекла. Разработан

алгоритм множественного регрессионного анализа, использующий метод последовательного построения регрессионных зависимостей. Преимущество этого метода по сравнению с решением системы нормальных уравнений состоит в том, что он оперирует с определителями низкого порядка. Алгоритм обладает высокой скоростью сходимости и дает решение системы нормальных уравнений с требуемой точностью при значительном числе факторов. Алгоритм и программа множественного регрессионного анализа зарегистрированы в Госфонде алгоритмов и программ. Алгоритм предусматривает задание структуры уравнения регрессии в классе алгебраических полиномов не выше второго порядка. Имеет интерактивный режим работы, при котором пользователь может корректировать исходную структуру уравнения по результатам анализа коэффициентов парной корреляции входных переменных. При обнаружении сильно коррелированных переменных одна из них отбрасывается. Критериями для отброса переменной служат точность и сложность получения результатов измерений, запаздывание в получении данных, важность переменной по технологическим соображениям и др. Число приближений, требуемое для построения среднеквадратичной регрессии зависит от задаваемой точности расчетов коэффициентов регрессии, которая определяется относительным изменением значений коэффициентов регрессии в двух последних приближениях. После достижения задаваемой точности решается задача упрощения модели за счет исключения из исходной структуры незначимых переменных. Исключение проводится при значимости коэффициента множественной корреляции. Так как закон распределения ошибок измерений в зависимой переменной не известен, то отсев переменных проводится по величине их вклада в зависимую переменную. Число отбрасываемых переменных ограничивается величиной дополнительной погрешности выходной переменной, получаемой в результате отбрасывания незначимых входных переменных. При каждом отбросе вновь пересчитывают коэффициенты регрессии и рассчитывается новое значение коэффициента множественной корреляции. При значимости коэффициента множественной корреляции анализируемая переменная отбрасывается, что приводит к упрощению структуры модели. С использованием разработанного алгоритма получены следующие регрессионные уравнения:

плотности вырабатываемого стекла Пл(1) Пл^) = 2,4801 + и^КГ'в'о,! (N9) - 2,44*10-49'см2(М0) - 0,96*10'4е'смз + 2,29*10"4С'ге2Цз(1)- 1,58*10~,Н'(^5) . с остаточной дисперсией 52О1Л=20,5П0"8 (г/см"')2 и коэффициентом множественной корреляции П=0,74;

оптических искажений, измеряемых по методу "зебра" 36(0;

35(0 = 47,59 + 3,485 (0 - и^Р'п«^) - 0,4669 ^(1) . Остаточная сумма квадратов модели составила величину 820СТ=8,6С°)2, коэффициент множес твенной корреляции равен 11=0,81; свильности вырабатываемого стекла Св(0

Св(1) = 1,34- 2,1*10"20га1(О + 9,3*10-2С'Ге2оз(0 + 11*Ю"2С£(М) + + 3,24* 10'2 8 ол15п(0 - 11,4*10"2 в' а (0, с остаточной < дисперсией 82Осг=1,84*10'2, коэффициентом множественной корреляции 11=0,78. В уравнениях использованы следующие обозначения: в 0,1, 9'иа, в'с«з - температура стекломассы в ванной печи по показаниям данных термопар по оси первых горелок, в точке температурного максимума, в конце зоны варки; 0<м15п - температура олова в флоат-ванне в 15-м пролете; Р ш - мощность повторного нагрева; 6 а - температура в зоне А печи отжига; С ге2оз - окись железа в стекле; Н' - нерастворимые осадки в шихте; С с - производительность технологической линии; 5 - толщина вырабатываемого стекла. Значения коэффициентов моделей, их знаки согласуются с физико-химическими представлениями влияния факторов на зависимую переменную. Работоспособность разработанных моделей проверялась на контрольной выборке постановкой машинного эксперимента. При превышении ошибки модели допустимой величины инициализировался алгоритм адаптации. Алгоритм, используя информацию о входных и выходных переменных технологической линии, значения текущих параметров модели и ее ошибку, корректирует коэффициенты модели. В диссертации исследована точность алгоритмов текущего регрессионного анализа, адаптации с обучением, одношагового алгоритма адаптации. С учетом нестационарности коэффициентов модели для их коррекции выбран одношаговый алгоритм адаптации. Результаты испытания алгоритма приведены в табл.2.

Таблица 2

Выходная переменная Пл 36 Св

Параметр алгоритма адаптации у 20 100 10

Абсолютная погрешность модели 0,0004 0,8 0,05

Оценка дисперсии погрешности модели 42хЮ-8 9,6 0,07

В четвертой главе приводятся результаты исследования и разработки математических моделей режимных переменных ванных регенеративных печей средней и большой производительности. Структура моделей представлена последовательным соединением статического нестационарного и динами-

ческого линейного звеньев. В диссертации разработаны статические нестационарные части моделей. Используя алгоритм направленного перебора входных переменных по основному критерию минимума остаточной дисперсии и дополнительным критериям простоты структуры модели и соответствия знаков регрессоров физическим представлениям влияния входных переменных на температуру стекломассы, получено уравнение регрессии для ванной пятигорелочной печи средней производительности:

есмл(1)= -1019,9 + 1,159,(1) - 12,1В# -12) - 366,27 СГеЮ}(0 +

+0,63 0ЖР (I - 28) +18,2Р ({- 39) + 4,28 Сщ (I - 34)

с остаточной дисперсией 52ост=37,2 (С)2, коэффициентом множественной корреляции 11=0,87. В уравнении дополнительно использованы следующие обозначения: 01 - температура газовой среды по оси первой пары горелок; Р -давление в печи; Вл - влажность шихты; Сш - щелочность шихты; Смоз -окись железа в стекле; 6окр - температура окружающей среды. Для повышения точности в структуру модели включен тренд, который аппроксимировался кусочно-линейной функцией времени. Тип алгоритма адаптации и значения его параметров выбирались по результатам исследований на имитационной модели с использованием данных, собранных с технологической линии ВВС.

В процессе стекловарения стекловары контролируют положение границ шихты и варочной пены. По данным, полученным в результате эксплуатации оборудования, устанавливается наиболее благоприятное положение этих границ. С использованием алгоритма и программы последовательного регрессионного анализа получено уравнение регрессии, описывающее положение границы шихта - пена Ьга„:

и„=7,8-0,18М+0,7а, с остаточной дисперсией 82ост=0,29м2, коэффициентом множественной корреляции 11=0,21. В уравнении использованы обозначения: М - количество работающих машин ВВС; а] - коэффициент избытка воздуха на первой паре горелок. Анализ показал возможность повышения точности регрессионного уравнения за счет уменьшения погрешности регистрации границы шихты: коэффициент множественной корреляции возрастет до величины 0,78, а остаточная дисперсия уменьшится до 0,12м2.

Ванные регенеративные печи большой производительности применяются в производстве стекла флоат- способом. По экспериментальным данным обучающей выборки получены уравнения регрессии температуры стекломассы

0см1(^=1165+5,45С ге2оз0-41)-1,2801(^-0,67Вл (1)-8,49 г(4-84), с остаточной дисперсией 32ос1=57,5 (С)2, коэффициентом множественной корреляции 11=0,55;

9С.«2(0 = 1185 + 2,14Н>6) - 0,93Сщ(1-54)- 2,210^03(0 + +0,85С'ш6(*-19) - 1,829 г(М7), с остзточной дисперсиеи Б ост—6 ,2 (С)2, коэффициентом множественной корреляции 11=0,86;

0см^^)=1О73+1,5Н'(1-ЗО)-1,1С щ(ЬЗО)-1128С'^оз(1), с остаточной дисперсией модели 52осг=8,3 (*С)2, коэффициентом множественной корреляции 11=0,67. В уравнениях дополнительно использованы обозначения: (2 р расход газа на первую пару горелок; 9 г- температура газа; С Шб- соотношение шихты и боя, загружаемых в ванную печь.

В полученных уравнениях регрессии коэффициенты множественной корреляции значимы (уровень значимости 5%), что свидетельствует о вкладе, вносимом коэффициентами регрессии и правильности выбора перечня входных переменных.

Возмущающие воздействия участка варки-выработки представляют нестационарные по математическому ожиданию случайные процессы, содержащие в своей структуре среди компонентов временной тренд и сверхнизкочастотные составляющие. Разработан алгоритм прогнозирования тренда случайных процессов с использованием полиномиальной функции временного аргумента. Степень аппроксимирующего полинома срй(1) подбирается из условия минимума модуля знакового критерия

г(У) = —— Б^СК') -фд('))5^СК' + пк) - Фл(' + пЛ

где п - число опытов на обучающей выборке; пк - расчетный радиус корреляции в дискретах; у(1) - значение прогнозируемой переменной в ¡-й дискрет времени; срЛ(1) - значение полиномиального тренда в ьй дискрет времени. Точность алгоритма оценивалась при прогнозировании плотности стекла. Машинный эксперимент подтвердил эффективность использования алгоритма полиномиальной-аппроксимации для прогнозирования плотности на 10 и более суток. Краткосрочный прогноз на одни и двое суток целесообразно проводить с помощью алгоритма ступенчатой экстраполяции.

В пятой главе сформулированы и решены задачи управления (планирования) процессом варки-выработки листового стекла на примерах производства стекла способом вертикального вытягивания и флоат-способом. Управление технологическим процессом рассматривается как задача принятия ре-

шений по коррекции режима работы основного технологического оборудования участка варки-выработки в установившемся режиме работы. Для оценки качества управления предложен векторный критерий, компоненты которого отражают удельные затраты энергетических потоков в технологическом процессе, свойства и пороки вырабатываемого стгула. Задаваемыми перемешш-ми являются план выработки стекла по объему и ассортименту. Оптимальное решение ищется в области компромисса.

В работе исследована эффективность различных способов и алгоритмов управления. Для этих целей автором диссертации разработана методика имитационного моделирования систем управления с использованием реальных данных, собираемых с исследуемого объекта. Построение моделирующей системы основано на принципе определения последовательных состояний моделируемого объекта через некоторые интервалы времени, называемом принципом

Управление технологическим процессом варки-выработки рассматривается как многостадийный процесс, в котором качество управления оценивается интегральным критерием. Нестационарность процессов на участке варки-выработки потребовала периодического уточнения коэффициентов модели в процессе управления. Оптимальное управление находится из принципа оптимальности решением уравнений

Л(п,в,GC)= min (g„(ö,4„,n,B,01„,G.n) + /„.1(n',B'C7c.„.1)),

21,4л, 01л

Л(П,В,0С)= min (g,(eu.,.n,B,0u,GeJ)),

ß 1.4.1 .в 1.1

где Get, k=l,...,n - планируемая выработка стекла по шагам управления; п -число шагов до конца временного интервала управления.

Область поиска управляющих воздействий ограничивалась допустимым диапазоном изменений суммарного расхода газа на четыре горелки печи и температуры стекломассы на выработке: Qm „„„^ Qi.j ä ¿Qu мак» Öi„„h< ¿91мак. Использование коэффициентов регрессии как констант свело стохастическую задачу управления к детерминированному случаю. Эффективность алгоритма оценивалась по математическому ожиданию и дисперсии компонентов векторного критерия. Результаты имитационного моделирования системы и ручного управления процессом варки-выработки способом ВВС приведены в табл.3.

Таблица 3

Время управления, cvt м /т п, шт/м2 В, град Qu. м3/ч ©1, °С 0см, °С

1 344,7/931* 2,7/1 35,1/0,66 2044/ 16640 1190/11,7 1160/55,9

10 346/1010 2,7/1 35,1/0,68 2050/ 16640 1190/9,7 1160/62,3

21 358/1030 2,7/1 35,1/0,69 2050/ 1638 1190/10 1160/60,5

30 347,6/1120 2,8/0,87 35,1/0,73 2069/ 15250 1190/10,3 1160/54,9

Ручное улравл. 361/400 2,5/2,89 36,6/41 2159/ 4761 1185/4,84 1143/ 153,8

• В числителе оценка математического ожвдання, в знаменателе - дисперсии переменной.

Управление технологическим процессом варки-выработки рассматривалось так же, как одношаговая задача принятия решений в условиях много-критериальности. Компромисс разрешался использованием принципа выделения одного оптимизируемого критерия - удельного расхода газа на стекловарение

2м .01

а на остальные критерии накладывались ограничения

n(QM, 01, Рст, ©окр» Вл, Н) < Пмак» B(QM, ©1, Per, Вл, Сш, Gc) £ В мак , где Пмак , В«ак - максимальное допустимое содержание пузырей и волнистости в вырабатываемом стекле. Задача управления сформулирована следующим образом: на каждом шаге управления (ежесуточно) минимизировать целевую функцию при выполнении ограничений, накладываемых на показатели качества вырабатываемого стекла П, В, режимную переменную по температуре стекломассы в квельпункте печи 0см, мин s ©см s ©см, мак и управляющие воздействия Qi 4

МИН ¿Qi ,4-ч 1,4 мак» ©х МИН < ©1 £ ©1маю где Qi ,4 мят Qi .4 мак ■

пределы изменения суммарного расхода газа на горелки ванной печи; ©i М1Ш, ©I мак - пределы изменения температуры выработки стекла. Дополнительно накладывались ограничения на величину приращения управляющих воздействий на шагах принятия решений

-19-

¡0,.4(/-1)-0,4(/)|<

где ЛО,- допустимые приращения управляющих воздействий по расходу газа и температуре выработки стекла; ¡- шаг управления.

Как показало имитационное моделирование, алгоритмы динамического и линейного программирования при управлении процессом варки-выработки стекла способом ВВС стабилизируют качество вырабатываемого стекла. Дисперсия содержания пузырей в листовом стекле уменьшается в три раза, волнистости стекла - более 60 раз. Среднее содержание пузырей в стекле и волнистость при автоматическом управлении соответствовали требованиям, предъявляемым к стеклу высшей категории качества. Алгоритм динамического программирования имеет преимущества, он позволяет более экономно вести процесс варки-выработки. Удельный расход газа на технологические цели по сравнению с ручным управлением уменьшается примерно на четыре процента.

Особенность технологического процесса производства стекла флоат-способом в том, что процесс варки-выработки протекает в цепочке последовательно соединенного оборудования: ванной стекловаренной печи, в ванне с расплавом олова и туннельной печи отжига. Отсутствие сильной корреляционной связи между выходными переменными позволяет совместить решение задач планирования плотности (Пл) вырабатываемого стекла с прогнозированием ее на 9 суток с задачей управления волнистостью (36) и пороками в стекле типа свильности (Св) в течение текущего шага принятия решений (сутки). В диссертации исследовано одношаговое управление с использованием алгоритма линейного программирования. Большая размерность решаемой задачи и значительное число ограничений создают неудобства в практическом использовании алгоритма. В связи с этим задача математического программирования сведена к последовательности задач безусловной минимизации с использованием метода штрафных функций. Минимум функции находится методом покоординатного спуска с удвоением шага, в который внесены ограничения на величину шага поиска и число циклов поиска. Вопросы сходимости и устойчивости метода покоординатного спуска при минимизации функции исследованы на ЭВМ постановкой вычислительного эксперимента. По данным машинного эксперимента определены оптимальные значения коэффициентов штрафа, обеспечивающие минимум удельных затрат при равенстве нулю функции штрафа.

С использованием метода штрафной функции с рассчитанными коэффициентами штрафа решена задача безусловной минимизации удельных затрат на каждом шаге управления технологическим процессом варки-выработки полированного стекла

шт Л/(/)(«(/), А).

®с«1(').Эсл<э<0.®ем.сг(').

Как показало имитационное моделирование, алгоритм управления процессом варки-выработки с использованием штрафных функции позволяет уменьшить удельный расход газа примерно на 4% и электрической энергии, потребляемой флоат-ванной, до 20%. Значительно улучшаются свойства вырабатываемого стекла за счет стабилизации плотности. Дисперсия изменения плотности уменьшается более чем в два раза. Улучшается волнистость стекла примерно на пять процентов и уменьшается свильность стекла на 23%.

В шестой главе диссертации разработаны алгоритмы управления для систем поддержки принятия решений, используемых на нижнем уровне иерархической структуры системы управления производства листового стекла. Цель управления заключается в стабилизации режима работы технологического оборудования на уровнях, определяемых решением задачи оптимального управления или же задаваемых стандартом предприятия на технологический процесс. Сложность протекающих процессов затрудняет разработку аналитических моделей, пригодных для практического использования в АСУТП стекольных производств. Поэтому в диссертации разработаны такие "ручные" алгоритмы управления, которые позволяют поднять квалификацию рядовых операторов до уровня высококвалифицированных технологов производства.

Если принять отклонения режимных переменных как появление ситуаций (начальных) вн на объекте управления, а нахождение их в пределах допусков как конечную ситуацию б«, то управление можно представить как перевод объекта из начальной ситуации 5„е8„ в конечную 5ке5к:

111 42 ИЗ Чп

Бн -» Б2 —» Бк ,

где Б«, - множества начальных и конечных ситуаций; б,, 1=1,...,п - элементы множеств ситуаций; и^ ¡=1,...,п - управляющие воздействия по шагам управления.

В основу алгоритмического обеспечения систем поддержки принятия решений операторов положена машинная процедура формирования понятий СЬБ - 9, в которую добавлен механизм адаптации. Эта процедура формализу-

ет действия операторов на основе анализа слозесных высказываний о принимаемых ими управляющих воздействий в ситуациях, возникающих на объекте управления. Понятия отображены в виде деревьев классификаций, устанавливающих соответствие между дискретными представлениями произвольных ситуаций и выбираемым классом управляющего воздействия. Множество критериальных классов для каждого управляющего воздействия ограничено тремя элементами К = {-,= ,+ }, где "-" - отрицательное приращение (уменьшить); " = " - нулевое приращение (не изменять); " + " - положительное приращение (увеличить). Программа использует в качестве критерия тот признак, который наиболее полезен при классификации относящихся к данной вершине объектов. Программа определяет все члены множества {nijk} и для каждого признака находит значение величины

н , = S < ,

j- i

где К = { к } - множество критериальных классов; Vj - количество возможных значений признака i; - количество относящихся к рассматриваемой вершине объектов, которые характеризуются значением j признака i и принадлежат к классу k; n'y - максимальное значение параметра {п^} для любого из к классов. В качестве критерия выбирается признак с максимальным значением Hj. В работе проведен анализ действий стекловаров по управлению печью ВВС Гусевского стеклозавода, определены существенные признаки, характеризующие возникающие на объекте ситуации. Каждый признак оценивался тремя значениями по отношению к заданию: в норме, выше и ниже нормы. После предъявления программе выборки система формировала понятия в виде деревьев для классификации принимаемых стекловарами управляющих воздействий. На ЭВМ был поставлен вычислительный эксперимент для оценки сходимости алгоритма, определения размеров начальной выборки, достаточной для формирования понятий, обоснования величины шага управляющих воздействий, оценки устойчивости алгоритма к помехам. Критериями для оценки эффективности процедуры выбраны: достоверность совета ДС, достоверность прогноза ДП и число шагов управления К. Параметрами системы, подлежащими оптимизации, были: объем исходной выборки Е, соотношение размеров областей начальной и конечной ситуаций d, величина шага управляющего воздействия Дх . К системе прикладывалось возмущающее воздействие с дисперсией аз. Методика машинного эксперимента включала в себя: 1) генерирование случайных неповторяющихся ситуаций с задаваемыми параметрами разброса. Количество опытов в выборке принималось

равным Е, %; 2) создание исходной выборки с помощью эксперта: для каждой ситуации определялись значения управляющих воздействий. Достоверность исходной выборки гарантировалась выбором управляющих воздействий с помощью модели объекта; 3) формирование дерева понятий; 4) предъявление для классификации контрольной выборки случайных ситуаций, состоящей из 800 опытов; 5) оценку достоверности совета, прогноза, числа шагов управления. По результатам вычислительного эксперимента получены нелинейные регрессионные уравнения

ДС = 0,39 + 0,55(1 - 0,66ст3'(1 - 0,09й2 с остаточной дисперсией Б2^ = =0,0004, коэффициентом множественной корреляции 11=0,99;

ДП = 0,21 + 0,12а3"<1 - 0,05 Л2

с остаточной дисперсией 52ОСТ=0,0003, коэффициентом множественной корреляции 11=0,92.

Число шагов управления описывается средним арифметическим значением К = 1,6 с оценкой дисперсии Б к = 0,36. Вычислительный эксперимент позволил установить зависимость критериев эффективности процедуры формирования понятий от параметров алгоритма и уровня возмущающих воздействий.

В седьмой главе приведены работы, выполненные под научным руководством и непосредственном участии автора диссертации по автоматизации процесса варки-выработки листового стекла способом вертикального вытягивания и флоат-способом на стекольных заводах отрасли промышленности строительных материалов. В диссертации разработана методика использования вычислительного эксперимента для обоснования и выбора рационального уровня автоматизации технологического процесса производства листового стекла и определения очередности внедрения подсистем на участке варки-выработки. При помощи разработанной методики проведены предпроектные исследования автоматизации управления технологическим процессом варки стекла на Гусевском стекольном заводе, а также процессом варки-выработки полированного стекла флоат-способом на Борском стекольном заводе. Вычислительный эксперимент показал, что автоматическое управление по сравнению с ручным ведением процесса позволяет уменьшить расход газа на технологические цели до 4%, электрической энергии на повторный нагрев ванны с расплавом олова до 20%. Одновременно повышается стабильность процесса стекловарения в результате уменьшения среднесуточных колебаний плотности вырабатываемого стекла в 1,5 раза. Увеличивается доля вырабатываемого

стекла высокого качества. Сравнительный анализ проектных вариантов выявил необходимость первоочередной автоматизации управления стекловаренной печью с одновременной стабилизацией режимов работы ванны с расплавом олова и печи отжига. Такое проектное решение дает наиболее быстрый эффект от внедрения АСУТП на участке варки-выработки. Этот вариант выбран при разработке технического задания на АСУТП полированного стекла для Борского стекольного завода.

Разработанные автором диссертации математические модели, алгоритмы управления и программные средства использованы научно-производственным объединением "Росавтоматстром" г. Чебоксары, ПКБ Государственного института стекла г. Москва в проектах автоматизации стекольных производств.

В диссертации предложена и реализована концепция построения распределенных АСУТП основного оборудования и технологической линии производства листового стекла на основе использования микропроцессорных средств автоматики, персональных ЭВМ и локальных управляющих сетей. Внедрение распределенных систем в стекольное производство позволило повысить надежность создаваемых систем. Переход от аналогового управления к цифровому, цифровая регистрация технологического процесса позволили уменьшить погрешность регулирования, контроля и регистрации переменных. Получена экономия средств на создание автоматизированной системы, уменьшилось потребление электрической энергии комплексом технических средств. В проектах автоматизации, выполненных под научным руководством и непосредственном участии автора диссертации коллективом кафедры ИВТ ВлГУ и НПО "Росавтоматстром" для стеклозавода АО "Востек", в полном объеме реализована концепция построения распределенной АСУТП участка варки-выработки листового стекла способом ВВС. Автоматизированные системы управления стекловаренной печью имеют двухуровневую структуру. Нижний уровень системы выполнен на малоканальных контроллерах и цифровых многоканальных преобразователях, объединяемых в локальную управляющую сеть. Верхний уровень системы содержит персональную ЭВМ. Уровни системы объединены в единую управляющую вычислительную сеть с общим информационным обеспечением. Персональная ЭВМ работает в режиме супервизорного управления. На ней реализованы подсистемы обучения стекловара приемам работы и подсистема поддержки принятия решений технологом производства по коррекции режима ванной печи.

Выход стекольных заводов России на европейский рынок требует сер-

тификации продукции, что возможно с внедрением Системы качества в соответствии с требованиями международного стандарта ИСО 9002 - 94. Статистический контроль и регулирование реализовано с помощью программно-аппаратного комплекса "Технолог стекольного производства", разработанного под научным руководством и при непосредственном участии автора диссертации. Пользователю предоставлено программное средство, позволяющее автоматизировать интеллектуальную деятельность технолога, обеспечивая поддержку принятия им решений по коррекции режима работы технологической линии в зависимости от причинных факторов, возникающих в производстве листового стекла. Комплекс находится в промышленной эксплуатации с 1990 года в ОАО "Борский стекольный завод".

Результаты внедрения научно-исследовательских работ диссертации на предприятиях, НПО и ПКБ отрасли промышленности строительных материалов России оцениваются общим годовым экономическим эффектом в сумме около одного миллиона рублей в ценах 1990 года.

Полученные в процессе проведения научных исследований изобретения демонстрировались на тематической выставке ВДНХ СССР "Изобретатели высшей школы - народному хозяйству" в 1979 году. Авторы изобретений награждены двумя бронзовыми медалями ВДНХ СССР.

Результаты диссертации используются в учебном процессе во Владимирском государственном университете в дисциплинах "Прикладная информатика", "Проектирование информационных систем и технологий" при подготовке инженеров по специальности 220100 - вычислительные машины, комплексы, системы и сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изложены научно обоснованные методические, математические, программные и технические решения проблемы автоматизированного управления процесса производства листового стекла флоат-способом, а также широко применяемого в России способа вертикального вытягивания на основе использования математических моделей, внедрение которых вносит существенный вклад в ускорение научно-технического прогресса в отрасли.

Научные и практические результаты диссертации сформулированы в виде следующих выводов.

1. Разработаны и реализованы общие принципы применения математических моделей, моделирования и ЭВМ в условиях ограниченного активного

эксперимента для совершенствования систем автоматизированного управления технологическими процессами в производстве листового стекла, включая системы стабилизации режима рабогы технологического оборудования и оптимального управления участком варки-выработки.

2. Выполнена структуризация системы управления процессом производства листового стекла флоат-способом. Функции системы управления представлены в виде преобразований, протекающих в основном технологическом оборудовании с использованием адаптивных моделей, описывающих качество вырабатываемого стекла. Решена многокритериальная задача управления технологическим процессом варки-выработки листового стекла в многомерном пространстве определяющих режимных переменных.

3. Разработаны математические модели процессов, протекающих в основном технологическом оборудовании производства листового стекла, с использованием которых решена задача оптимизации управления. Модель технологического процесса участка варки-выработки представлена системой регрессионных уравнений, связывающей составляющие критериев с режимными переменными технологического оборудования, возмущающими воздействиями по производительности технологической линии, химическому составу шихты и окружающей температуры. Точность модели обеспечена выбором соответствующей структуры и адаптацией коэффициентов модели в процессе эксплуатации.

4. Разработаны алгоритм и программа для выбора структуры и параметров моделей, предусматривающие использование априорной информации и направленный перебор анализируемых входных переменных по результатам статистического анализа. Созданный алгоритм последовательной регрессии не критичен к выполнению условий Гаусса - Маркова относительно регрессионных погрешностей.

5. Разработаны алгоритм и программа идентификации нестационарных по математическому ожиданию случайных процессов изменения контролируемых переменных в процессе производства листового стекла. При помощи программы получены модели случайных процессов, которые использованы при выборе параметров алгоритмов контроля в автоматизированной системе, а также планировании промышленного эксперимента при разработке моделей участка варки-выработки. Предложен алгоритм полиномиальной аппроксимации тренда функцией времени. Степень полинома выбирается с использованием знакового критерия.

-266. Разработаны регрессионные модели, описывающие зависимость режимных переменных ванной стекловаренной печи от управляющих и возмущающих воздействий. Проведен анализ влияния погрешностей измерений переменных на точность регрессионных моделей, оценены регрессионные эффекты. Требуемая точность моделей достигнута аппроксимацией динамики каналов характеристиками звена с чистым запаздыванием, включением в структуру моделей временного дрейфа, а также периодической коррекцией коэффициентов модели.

7. Разработана методика, алгоритмическое и программное обеспечение имитационного моделирования системы автоматического управления непрерывным технологическим процессом с использованием экспериментальных данных, собираемых с объекта в режиме ручного ведения процесса. С использованием этой методики исследованы способы и алгоритмы управления технологическим процессом варки-выработки. листового стекла. Показана эффективность использования имитационного моделирования систем управления на предпроектных стадиях научных исследований при разработке АСУТП стекольных производств.

8. Разработано математическое и программное обеспечение автоматизированной системы для стабилизации режима многомерных, многосвязных объектов управления с использованием процедуры формирования понятий, основанной на формализации ручных приемов управления. Эффективность процедуры оценена планированием вычислительного эксперимента и апробирована в условиях эксплуатации. Создана подсистема поддержки принятия решений "Советчик стекловара".

9. Предложена концепция технической и программной реализации автоматизированной системы управления на основе распределенных структур с использованием микропроцессорных средств автоматики, цифровых вычислительных машин и локальных управляющих сетей. В соответствии с этой концепцией решены и практически реализованы научно - технические задачи создания автоматизированных систем управления для стекольных заводов:

- создана впервые в отрасли промышленных строительных материалов РСФСР АСУТП стекловарения ванной печи ВВС на Гусевском стекольном заводе;

- разработана распределенная АСУТП стекловарения для ванных печей ВВС стеклозавода "Великий Октябрь". Система реализована на микропроцессорных контроллерах, цифровых измерительных преобразователях и персональной ЭВМ, объединенных локальной управляющей сетью. Комплексиро-

вание серийных аппаратных и программных средств в единую управляющую сеть выполнено специально разработанными аппаратными и программными средствами;

- разработано техническое задание на проектирование АСУТП производства полированного стекла для Борского стекольного завода.

10. Спланирован машинный эксперимент и оценен предельно достижимый экономический и технический эффект автоматического управления технологическим процессом варки-выработки полированного стекла флоат-способом. Определены рациональный уровень автоматизации и последовательность внедрения подсистем управления отдельными технологическими агрегатами.

11. Создана подсистема поддержки принятия решений "Технолог стекольного производства" с использованием разработанных моделей и алгоритмов управления. Подсистема применяется в отделе главного технолога для статистического анализа и регулирования технологическими процессами производства полированного стекла на двух технологических линиях в ОАО ''Борский стекольный завод".

12. Разработан способ автоматического регулирования температуры студки в ванной стекловаренной печи с экраном, а также новые устройства локальной автоматики, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения. Внедрение технических средств позволило автоматизировать технологический процесс участка варки-выработки в производстве листового стекла способом вертикального вытягивания.

13. Средствами имитационного моделирования проведено исследование и сравнительный анализ алгоритмов оптимального управления процесса варки-выработки с существующим управлением (стабилизация) на примерах производства стекла разными способами. Показаны преимущества алгоритмов оптимального управления. Повышается стабильность плотности и качества стекла, вырабатываемого флоат-спосооом: среднеквадратичное отклонение плотности стекла уменьшается примерно в 4 раза, оптических свойств - в 1,2 раза, свильности - в 1,5 раза. Расход природного газа на технологические цели уменьшается примерно на 4%, а электрической энергии - до 20%. При выработке стекла способом вертикального вытягивания увеличивается отбор стекла на промышленную переработку до 65% , выработка оконного стекла первым сортом составляет 99,8%. Удельный расход газа на стекловарение уменьшается примерно на 5%. Продлевается межремонтный период работы стекловаренной печи на один месяц.

-2814. Выполненный комплекс работ по внедрению математического, программного и технического обеспечения АСУТП стекольных производств на стекольных заводах, НПО и ПКБ отрасли промышленности строительных материалов оценивается общим годовым экономическим эффектом в сумме около одного миллиона рублей в ценах 1990 года.

15. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе во Владимирском государственном университете при подготовке инженеров по специальности 220100 - вычислительные машины, комплексы, системы и сети.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В РАБОТАХ:

1. Макаров Р.И., Зуев К.И. Анализ случайных процессов стекловаренной печи ВВС// Итоговая науч.-техн. конф. Иванов, энергет. ин-та: Тез. докл. -Иваново, 1975. - С. 76.

2. Управление процессом стекловарения с использованием ЭВМ/ В.Ф. Жирков, Р.И. Макаров, В.Ф. Романов и др. // Контроль в производстве стекла: Межвуз. сб. науч. тр. -Рязань, 1976. - С. 49 - 55.

3. Автоматизированная ситема управления технологическим процессом стекловарения/ Р.И. Макаров, В.И. Козлов, В.Ф. Романов и др. //Автоматизированные системы управления технологическими процессами : Межвуз. сб. науч. тр. -Рязань , 1976. -С. 18 - 20.

4. Макаров Р.И., Зуев К.И., Логинова Л.М. Алгоритм "Статистическая обработка нестационарных случайных процессов" // Отраслевой фонд алгоритмов и программ. Per. номер П6/4-181 от 25.02.76 г.

5. Макаров Р.И., Логинова Л.М. Алгоритм "Множественный регрессионный анализ" // Госфонд алгоритмов и программ. Per. номер П 002483 от 9.06.77 г.

6. A.c. 568605 СССР, М. Кл.2 С03В5/24. Способ автоматического управления температурным режимом выработочной части стекловаренной печи с экраном/ Зуев К.И., Макаров Р.И., Обухов В.М., Алексеев В.В. (СССР). N2317970/33; Заявл. 29.01.76; Опубл. 15.08.77, Бюл. N30. 2с.

7. A.c. 628517 СССР, М. Кл." G07 С 3/10. Устройство для контроля и учета времени работы оборудования на различных режимах, например, времени вытягивания и боения ленты стекла / Козлов В.И., Макаров Р.И., Гордеев В.А. (СССР). N2475455; Заявл. 1 1.04.77; Опубл. 5.10.78, Бюл. N38. Зс.

-298. Макаров Р.И., Романов В.Ф., Федорова JI.B. Реализация подсистемы "Советчик стекловара" в АСУТП стекловарения // Стекло и керамика. -1978. -N3.-С. 6-8.

9. Особенности разработки автоматизированных систем управления технологическими процессами в ванных стекловаренных печах/ В.Ф. Жирков, Р.И. Макаров, В.А. Гордеев и др.// Стекло и керамика. -1978. -N7. - С. 3 - 5.

10. Автоматическая система регулирования температуры ванной стекловаренной печи/ Р.И. Макаров, Н.В. Луговой, Б.В. Жбанов и др. // Стекло и керамика. -1978. -N10. - С. 4 - 5.

11. Автоматическая система регулирования температуры в выработоч-ных каналах ванной печи/ Р.И. Макаров, Н.В. Луговой, Л.М. Логинова и др. // Стекло и керамика. -1979. -N5. - С. 5 - 6.

12. Техническая и конструктивная реализация АСУТП стекловарения/ Р.И. Макаров, В.М. Обухов, В.И. Козлов и др. // Стекло и керамика. -1979. -N9.-С. 2-3.

13. A.c. 720441 СССР, М. Кл.: G 06 М 7/02. Устройство для счета листов стекла / Козлов В.И., Макаров Р.И. (СССР). N2560438; Заявл. 27.12.77; Опубл. 05.03.80, Бюл. N9. Зс.

14. A.c. 955140 СССР, М. Кл.3 G 07 С 3/10. Устройство для контроля и учета времени работы оборудования на различных режимах, например, времени вытягивания и боения ленты стекла/ Козлов В.И., Макаров Р.И. (СССР). N628517; Заявл. 04.10.80; Опубл. 30.08.82, Бюл. N32. Зс.

15. Жирков В.Ф., Макаров Р.И., Дарьин А.Г., Казарина Л.М. Программное обеспечение информационной части АСУТП стекловарения // Указатель неопубликованных и ведомственных материалов. Сер. Проектирование и строительство. N4. -М.: ЦИНИС, 1980.

16. Макаров Р.И., Федорова Н.И. Применение статистических методов для идентификации ванных стекловаренных печей// Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУТП: Тез. докл. -М., 1981. - С. 202 - 203.

17. A.c. 959118 СССР, М. Кл.3 G 07 С 3/10. Устройство для контроля и учета времени вытягивания ленты стекла /' Козлов В.И., Макаров Р.И. Куклин

B.П. (СССР). N3243093; Заявл. 30.01.81; Опубл. 15.09.82, Бюл. N34. 4с.

¡8. Романов В.Ф., Макаров Р.И., Козлов В.И., Клыгина И.Ю. Алгоритмизация управления технологическим процессом на основе адаптивной процедуры формирования понятий// Вычислительная техника в автоматизированных системах контроля и управления: Межвуз. сб. науч. тр. -Пенза, 1982. -

C. 45-49.

-3019. Макаров Р.И. Адаптивное управление стекловаренными печами // Ученые института - народному хозяйству: Тез. докл. науч.-техн. конф. Владимир, 1983. - С. 65 - 66.

20. Макаров Р.И. Математическое описание стекловаренной печи как объекта управления // Указатель неопубликованных и ведомственных материалов. Сер. 2. Вып. 11. - М.: ВНИИЭСМ, 1983. - С.З.

21. Макаров Р.И. Адаптивная система управления процессом стекловарения в ванных печах// Теория адаптивных систем и ее применения: Тез. докл. Всесоюз. конф. -М.; Л. 1983. -С.349.

22. Макаров Р.И., Федорова Н.И. К вопросу оценки эффективности алгоритмов управления автоматизированных систем// Повышение эффективности работ электротехнических устройств и систем: Тез. докл. - Владимир, 1983.-С. 6-7.

23. Макаров Р.И. К вопросу разработки алгоритмов оптимального управления процессом стекловарения в ванных печах // Автоматизация обработки первичных данных: Межвуз. сб. науч. тр. -Пенза, 1984. - С. 51 - 53.

24. Макаров Р.И., Федорова Н.И., Черников С.В. Оценка эффективности алгоритмов управления на имитационных моделях// 2-я Всесоюз. конф. по перспективам и опыту внедрения статистических методов в АСУТП: Тез. докл. -М., 1984. -С. 70.

25. Макаров Р.И., Федорова Н.И., Казарина Л.М., Исаев В.А. Алгоритмы управления гибкого автоматизированного производства варки стекла // Гибкие автоматизированные системы и их элементы в управлении технологическими процессами: Межвуз. сб. -Новочеркасск, 1985. - С. 90 - 96.

26. Макаров Р.И. Моделирование на ЭВМ инерционных промышленных объектов непрерывных производств: Учеб. пособие. - Владимир, 1985. -86 с.

27. Макаров Р.И., Федорова Н.И. Эффективность алгоритмов управления ванными печами // Стекло и керамика. -1986. -N5. - С. 12 - 13.

28. Макаров Р.И. Математические и машинные методы моделирования в стекольном производстве. Обзор // Стекло и керамика. -1987. - N12. -С. 12 -13.

29. Дубов И.Р., Макаров Р.И. Алгоритм последовательной регрессии в задаче идентификации промышленных объектов // Информационные процессы в промышленности. Межвуз. сб. науч. тр. - Кемерово, 1989. - С. 37 - 42.

30. Макаров Р.И., Дубов И.Р. Алгоритмы прогнозирования в задачах АСУТП стекольных производств // Стекло и керамика. -1989. -N9. - С. 19 - 20.

-3131. Макаров Р.И., Дедюков С.Н. Перспективы внедрения микропроцессорных систем управления в производство листового стекла// Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования: Материалы Всесоюзн. конф. -Тамбов, 1989. -С. 133-134.

32. Макаров Р.И., Кириллова С.Ю., Красикова С.В. Оценка эффективности математического описания выходных переменных технологического объекта с помощью режимных переменных // Научные исследования института - техническому и культурному прогрессу: Мат. 25-й науч. конф. Владим. политехи. ин-та.Ч. 1. Владимир, 1990. - С. 90 - 91.

33. Макаров Р.И. К выбору структуры регрессионных моделей в задачах управления// Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов: Тез. докл. - Новосибирск, 1991. - С. 33 - 34.

34. Макаров Р.И., Дедюков С.Н. Распределенные системы управления в производстве листового стекла // Стекло и керамика. -1991. -N8. - С. 8 - 10.

35. Макаров Р.И., Дубов И.Р., Лукашин С.А. Использование математической модели прогнозирования плотности стекла для управления ванной печью // Стекло и керамика. -1992. -N1. - С. 11 - 12.

36. Макаров Р.И. Программный комплекс "Технолог стекольного производства" // Стекло и керамика. -1993. -N11-12. - С. 29 - 31.

37. Макаров Р.И. Внедрение в стекольное производство новых информационных технологий на базе персональных ЭВМ // Стекло и керамика. -1993. -N8. - С. 23 - 24.

38. Макаров Р.И. Математическое описание зависимости плотности полированного стекла от режима работы технологической линии // Стекло и керамика. -1994. -N3 - 4. - С. 13 - 15.

39. Макаров Р.И. Оптимизация управления технологическим процессом варки стекла в ванных регенеративных печах //Стекло и керамика. -1995. -N1-2.-С. 4-6.

40. Макаров Р.И., Хорошева Е.Р. Применение математического моделирования при исследованиях и проектировании автоматизированных систем в стекольном производстве // Стекло и керамика. -1995. -N11. - С. 3 -5.

41. Макаров Р.И. Предпроектная разработка алгоритмов управления и выбор структуры автоматизированной системы // Проектирование и применение радиотехнических устройств и систем: Сб. науч. тр- Владимир, 1996. - С. 110- 112.

42. Макаров Р.И. Применение математических методов и моделирования в научных исследованиях и проектировании автоматизированных систем управления стекольными производствами // Информационные системы и технологии: Межвуз. сб. науч. тр. -Владимир, 1997. - С. 49 - 53.

Изд. лиц. N020275 от 13 11.96 Подписано в печать 17.04.98. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,86. Уч.-изд.л. 2,04. Тираж 100 экз. С- 64. Заказ

Владимирский государственный университет. Подразделение оперативной полиграфии Владимирского государственного университета. Адрес университета и подразделения оперативной полиграфии: 600026, Владимир, ул. Горького, 87.

у ¿¿? 9К

с

у.

МИНИСТЕРСТВО'^БЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Владимирский государственный университет

На правах рукописи

Макаров Руслан Ильич

УДК 62 - 50 : 666.1

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОГО СТЕКЛА НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Пр.

•зидиум ВАК России Н

к??"-

^ ВАК Роса

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .................................................. 7

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОГО СТЕКЛА И ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ...........................................................18

1.1. Классификация листового стекла и его свойства. Особенности технологического процесса производства листового стекла и влияние их на свойства ....................................18

1.2. Пороки листового стекла. Контроль технологического процесса и пороков в процессе производства листового стекла ...........25

1.3. Состояние автоматизации управления технологическими процессами в стекольном производстве. Перспективы дальнейшего развития.....29

1.4. Математическое моделирование в стекольном производстве в решении задач совершенствования технологии и систем автоматизированного управления .......................................34

1.5. Определение и формулирование основных задач диссертационной работы

............................................................40

Выводы по главе 1 ..............................................44

Глава 2. ФОРМУЛИРОВАНИЕ И ВЫБОР МЕТОДА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОГО СТЕКЛА....................................46

2.1. Определение целей и критериев управления технологическим процессом

производства листового стекла. Декомпозиция задачи управления ............................................................46

2.2. Анализ контролируемых переменных на участке варки-выработки произ-

водства листового стекла. Разработка математических моделей случайных процессов участка варки-выработки.........................54

2.3. Структуризация системы управления процессом варки-выработки в производстве листового стекла. Выделение определяющих переменных

............................................................61

Выводы по главе 2............................................71

Глава 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ, ОПИСЫВАЮЩИХ КАЧЕСТВО ЛИСТОВОГО СТЕКЛА, ВЫРАБАТЫВАЕМОГО СПОСОБОМ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЫТЯГИВАНИЯ И ФЛОАТ-СПОСОБОМ.........................................73

3.1. Обоснование и выбор компонент подмножества определяющих перемен-

ных технологического процесса варки-выработки листового стекла ........................................................... 73

3.2. Разработка методов и алгоритмов синтеза регрессионных моделей показателей качества листового стекла..............................84

3.3. Исследование и разработка модели плотности листового стекла.....97

3.3.1. Плотность листового стекла, вырабатываемого способом вертикального вытягивания................................................ 97

3.3.2. Плотность листового стекла, вырабатываемого флоат- способом ... .110

3.4. Исследование и разработка математических моделей, описывающих опти-

ческие искажения листового стекла............................115

3.4.1. Модель волнистости стекла, вырабатываемого способом вертикального

вытягивания................................................115

3.4.2. Модель оптических искажений полированного стекла, вырабатываемого

флоат-способом............................................117

3.4.3. Модель плоскостности полированного стекла специального применения

вырабатываемого флоат- способом............................ 123

3.5. Исследование и разработка математических моделей, описывающих со-

держание пороков в листовом стекле...........................128

3.5.1. Модели, описываемые пороки стекла, вырабатываемого способом вертикального вытягивания........................................129

3.5.2. Модель содержания свилей в полированном стекле, вырабатываемого

флоат-способом.............................................134

Выводы по главе........................................... 1^0

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РЕЖИМНЫХ ПЕРЕМЕННЫХ СТЕКЛОВАРЕННОЙ ПЕЧИ. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТРЕНДА СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ ...........................................................142

4.1. Модели температурного режима ванной стекловаренной печи ВВС. . 143

4.1.1. Модель температурного режима пламенного пространства печи .... 144

4.1.2. Модель ванной печи по температуре стекломассы.................146

4.2. Модель положения границы шихты и варочной пены в ванной стекловаренной печи ВВС........................................... 155

4.3. Модель температурного режима ванной печи в производстве стекла фло-

ат-способом ................................................161

4.4. Прогнозирование возмущающих воздействий в производстве листового стекла. Исследование и разработка алгоритмов прогнозирования

...........................................................166

Выводы по главе 4.......................................... 171

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ВАРКИ-ВЫРАБОТКИ ЛИСТОВОГО СТЕКЛА............................................ 172

5.1. Обоснование и выбор метода решения задачи управления технологическим процессом варки-выработки листового стекла............. 173

5.2. Разработка методики, алгоритмов и программная реализация имитацион-

ной модели системы управления технологическим процессом варки-выработки листового стекла................................. ¡75

5.3. Исследование алгоритмов управления технологическим процессом варки-

выработки листового стекла способом вертикального вытягивания ..........................................................180

5.3.1. Формализация задачи управления и выбор методов решения...... 180

5.3.2. Исследование эффективности алгоритма управления с эмпирической обратной связью. Симплекс планирование....................... 183

5.3.3. Исследование эффективности компенсационного способа управления. Многошаговые и одношаговые алгоритмы управления процессом варки-выработки листового стекла..................................190

5.4. Исследование алгоритмов управления технологическим процессом варки-

выработки листового стекла флоат- способом.................. 201

5.4.1. Особенности задачи управления при флоат-способе производства листового стекла................................................201

5.4.2. Исследование и разработка алгоритма одношагового управления. Решение задачи методом линейного программирования...............202

5.4.3. Разработка и исследование эффективности применения одношагового алгоритма безусловной оптимизации для управления процессом варки-

выработки. Метод штрафных функций.........................208

Выводы по главе 5 .......................................218

Глава 6. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМНЫМИ ПЕРЕМЕННЫМИ ОСНОВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛИНИИ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОГО СТЕКЛА. СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ .......................................................... 220

6.1. Постановка задачи управления режимными переменными основного тех-

нологического оборудования участка варки-выработки листового стекла. Выбор метода решения и определение требований к алгоритмам управления .....................................................221

6.2. Модификация процедуры формирования понятий СЬБ - 9 для решения за-

дач управления технологическими процессами..................226

6.3. Исследование возможностей применения системы формирования понятий

для моделирования действий оператора при управлении технологическим процессом............................................ 229

6.4. Постановка вычислительного эксперимента для исследования эффектив-

ности использования процедуры формирования понятий при управлении линейными статическими объектами...........................234

6.4.1. Постановка эксперимента на линейной детерминированной модели

.......................................................... 235

6.4.2. Постановка вычислительного эксперимента на линейной модели при воз-

действии неконтролируемых возмущений......................241

6.5. Алгоритмическая и программная реализация системы поддержки принятия решений операторов основного технологического оборудования линии производства листового стекла............................246

Выводы по главе 6......................................... 248

Глава 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ, СПОСОБОВ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ АВТОМАТИЗАЦИИ СТЕКОЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ. ВНЕДРЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ................... 250

7.1. Применение математических методов и моделирования на предпроектных

стадиях исследований и разработке АСУТП стекольных производств ...........................................................250

7.2. Использование распределенных систем управления в проектах автоматизации производства листового стекла.........................252

7.3. Использование математических моделей и алгоритмов управления в АСУТП ванных регенеративных печей при производстве листового стекла.....................................................257

7.3.1. АСУТП стекловарения ванной печи ВВС N1 Гусевского стеклозавода . . .......................................................... 260

7.3.2. АСУТП стекловарения ванной печи ВВС-2 стекольного завода "Великий

Октябрь"................................................. 266

7.4. Использование математических моделей и алгоритмов управления при автоматизации производства листового стекла флоат-способом .... 270

7.4.1. Автоматизированная система управления технологическим процессом производства полированного стекла на Борском стекольном заводе ...........................................................273

7.4.2. Автоматизированная система стабилизации плотности вырабатываемого

стекла. Математическое обеспечение..........................275

7.4.3. Подсистема поддержки принятия решений "Технолог стекольного произ-

водства"...................................................278

Выводы по главе 7.......................................... 280

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................281

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................287

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Формулирование развития АСУТП ПС в ОАО "Борский стекольный завод" с использованием метода сценариев.............304

Приложение 2. Структуризация целей и функций АСУТП полированного стекла ОАО "Борский стекольный завод"..........................307

Приложение 3. Оценки случайных процессов контролируемых переменных технологической линии производства листового стекла способом вертикального вытягивания.......................................310

Приложение 4. Оценки случайных процессов контролируемых переменных технологической линии производства полированного стекла флоат-

способом..................... ............................312

Приложение 5. Спектральный состав компонент Х(1) контролируемых переменных технологической линии производства листового стекла флоат-

способом................................................. 313

Приложение 6.

Таблица П6.1. Множество входных переменных и управляющих воздействий участка варки-выработки производства листового стекла флоат-

способом................................................ 314

Таблица П6.2. Множество переменных состояния системы управления участка

варки-выработки производства листового стекла флоат-способом......

......................................................... 318

Таблица П6.3. Множество выходных переменных участка варки-выработки

производства листового стекла флоат-способом.................323

Приложение 7. Периодичность контроля свойств и дефектов в вырабатываемом

листовом стекле флоат-способом..............................325

Приложение 8. Фотография. АСУТП стекловарения ванной печи ВВС N1 Гу-

севского стекольного завода................................. 327

Приложение 9. Выходные формы документов подсистемы поддержки приняти

решений "Технолог стекольного производства"..................329

Приложение 10. Сводная таблица внедрения научных результатов диссертации

...........................................................335

Приложение 11. Акты внедрения результатов научных исследований и разработок .......................................................336

ВВЕДЕНИЕ

Листовое стекло представляет важнейший вид продукции, вырабатываемой стекольной промышленностью. Наибольшую часть листового стекла используют в промышленности, гражданском, жилищном и сельскохозяйственном строительстве. Крупными потребителями являются автомобилестроение, вагоностроение, железнодорожный транспорт. Стекло используется в приборостроении, в электронной промышленности и в др. отраслях. Различные требования к изделиям из стекла, а также разнообразные свойства его как материала обусловили разработку многочисленных технологических процессов, способов и оборудования, позволяющих получить широкий ассортимент изделий. В нашей стране получили распространение следующие способы выработки листового стекла: лодочный вертикального вытягивания (ВВС), безлодочный вертикального вытягивания (БВВС), непрерывного горизонтального вытягивания и флоат- процесс. Тенденция развития производства листового стекла в мире такова, что флоат- процесс, как новейший и наиболее прогрессивный, вытесняет остальные способы выработки стекла.

В стекольной промышленности накоплен опыт создания и внедрения АСУТП, использования вычислительной техники, математического моделирования и математических методов при проведении научных исследований. Первая управляющая ЭВМ типа УМНХ была внедрена на Лисичанском механизированном заводе в 1975-76г.г., немногим позже (1977г.) при непосредственном участии автора диссертации АСУТП стекловарения на базе мини-ЭВМ типа "Саратов" была внедрена на Гусевском стекольном заводе [109], [46]. С момента внедрения первых промышленных систем на базе малых машин и аппаратуры ГСП в теории и практике создания и применения АСУ в стекольном производстве были достигнуты значительные результаты. Во-первых, разработаны теоретические основы построения АСУ с определением их функций, структуры и всех видов обеспечения: организационного, информационного, технического, математического, программного и др. Наряду с задачами контроля технологических параметров и расчета оперативных технико-экономических показателей (ТЭП) разрабатывались и внедрялись базы данных (БД) технологических параметров и системы представления графической информации на экране дисплея и выдачи документов на принтере.

Во-вторых, существенное развитие получили новые информационные технологии на базе персональных ЭВМ: автоматизированные рабочие места; пакеты прикладных программ для выполнения технических, технологических,

экономических и научных расчетов; автоматизированные системы поддержки принятия решений; системы автоматизированного проектирования конструктора и проектировщика и др. И наконец, за последние годы были разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию разнообразные задачи оптимального управления по технологическим критериям и технико-экономическим показателям для основного технологического оборудования и технологической линии в целом.

При построении автоматизированных систем широко используются микропроцессорные средства автоматики (интеллектуальные датчики, измерительные преобразователи, регулирующие и логические контроллеры), персональные ЭВМ и локальные сети.

Тем не менее сложность физико-химических процессов, протекающих в технологическом оборудовании при производстве листового стекла, неточность аналитических моделей, сложность физического моделирования, негибкость физических моделей и их невысокая точность делают актуальными работы по созданию математических моделей и использованию их для прогноза и управления процессом производства стекла.

Важность проблемы математического описания объектов управления и методов ее решения привлекает внимание и остается в поле зрения ученых и специалистов отрасли, среди которых в последние годы известны работы В.В. Кафарова, И.Н. Дорохова, В.Е. Маневича, H.A. Панковой, Е.П. Маркова, В.Ф. Солинова и др. Учитывая, что эффективность существующих АСУ производством стекла оставляет желать лучшего, считать проблему создания математических моделей для управления процессом, вероятно, рано.

Данная работа отражает результаты научных исследований, выполненные по планам Отраслевой лабораторией министерства промышленности строительных материалов РСФСР при Владимирском политехническом институте, а в последние годы - работы по прямым договорам со стекольными заводами отрасли, выполненные под научным руководством и непосредственном участии автора диссертации.

В основу проводимых научных исследований положено использование статистических моделей для описания физико-химических процессов, протекающих в основном технологическом оборудовании участка варки-выработки листового стекла. Требуемая точность моделей обеспечивалась выбором ее структуры и параметров с использованием разработанного автором алгоритма последовательного регрессионного анализа [22] и учетом априорных данных о влиянии анализируемых факторов на выходные показатели объекта управления [93]. Эффективность такого подхода подтверждается многочисленными приме-

рами использования регрессионных моделей для описания показателей качества вырабатываемого стекла. Разработанные математические модели использовались в качестве датчика состояния технологического оборудования при прогнозировании показателей качества вырабатываемого стекла [96], выработке упреждающих управляющих воздействий в автоматизированных системах поддержки принятия решений по коррекции режима работы технологического оборудования [97] и системах автоматизированного управления технологическим процесс