автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированное управление линией дискретно-непрерывного производства с использованием имитационных моделей

/ /

МОРОЗОВА ЕЛЕНА ВАСИЛЬЕВНА

Автоматизированное управление линией дискретно-непрерывного производства с использованием имитационных моделей (на примере стек-лотарного производства)

Специальность - 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (сфера услуг)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 МА? ¿012

Санкт-Петербург - 2012

005014636

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, старший научный сотрудник Редько Сергей Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Нурулин Юрий Рифкатович

кандидат технических наук, доцент Рычков Вячеслав Александрович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский национальный

исследовательский университет ИТМО

Защита состоится «28» марта 2012 года в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.21 в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, главное здание, ауд._.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Редько С. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время оборудование промышленного производства характеризуется, во-первых, разной степенью автоматизации, во-вторых, различной степенью специализации и комплексного использования оборудования в зависимости от вида и объёма производства. Интенсификация и концентрация большинства производств на базе комплексной автоматизации технологических процессов связывается сегодня с работой не отдельных машин, а с комплексом машин, внутри которого взаимосвязь и сбалансированность структуры и параметров системы приобретают решающее значение. При этом формирование сложных технологических подсистем, какими являются участки, комплексы и агрегаты оборудования, ведется, как правило, в условиях значительной неопределенности и фактической неосуществимости натурного проверочного эксперимента с целью оптимизации параметров и процессов.

Одним из основных сдерживающих факторов является отсутствие развитого программно-методического обеспечения, позволяющего на основе современных информационных технологий оперативно осуществлять фуик-ционалыю-структурное моделирование и проектирование производственных линий, комплексов и агрегатов, как сложных производственных систем.

Решением проблемы в данном случае является математическое моделирование производственных линий, комплексов и агрегатов на ЭВМ с использованием системных методов анализа и синтеза на основе вероятностных имитационных моделей их реального функционирования.

В развитие теории моделирования технологических процессов внесли существенный вклад зарубежные специалисты: Р. Акофф, Ф. Эмери, Ст. Оптнер (математическое описание дискретных систем), Ст. Бир, Дж. Форрестер (теория моделирования дискретных систем) и др., а также отечественные специалисты: В. М. Глушков, Л. В. Канторович (теория моделирования сложных систем), В. Н. Бусленко, Б. Я. Советов, С. А. Яковлев (функционально-структурное моделирование). Для преодоления фактора стохастической неопределенности предлагаются методы адаптивного управления Я. 3. Цыпкин, Л. С. Понтрягин, В. А. Якубович, И. Л. Туккель и др.

Кроме того, управляющие воздействия и переменные состояния практически всегда ограничены, но теоретические основы учета этих ограничений в настоящее время разработаны недостаточно. ,

Таким образом, актуальность темы работы в решении теоретических вопросов состоит в выработке метода моделирования технологических процессов дискретно-непрерывного производства с использованием моделей функционирования технологического оборудования, как единой стохастической системы и синтеза алгоритмического и программного обеспечения, основанного на декомпозиции автоматизированной системы управления технологическим процессом на функциональные подсистемы.

Актуальность темы в решении прикладных задач подтверждается возможностью использования результатов для достаточно широкого класса промышленных объектов, которым свойственен стохастический механизм функционирования оборудования (пищевая, химическая, строительная промышленность). В качестве примера объекта данного класса рассматривается стеклотарное производство.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности работы системы управления технологическим процессом стеклотарного производства на основе обоснованного применения современных средств автоматизации в производственных линиях, комплексах и агрегатах с учетом адаптации параметров их функционирования как единой стохастической системы.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

- разработка имитационных моделей технологических процессов дискретно-непрерывного производства с использованием моделей функционирования технологического оборудования (на примере стеклотарного производства), учитывающих системный и вероятностный характер протекания производственных процессов на уровне элементарных технологических операций;

- получение статистических распределений случайных величин параметров функционирования технологического оборудования стеклотарного производства на базе теоретических и экспериментальных исследований для моделирования производственных процессов;

- разработка методики верификации имитационной модели процесса производства стеклотары, использующей динамические и синтетические алгоритмы.

- разработка методики выбора эффективных технических средств автоматизации технологической линии стеклотарного производства на основе ус-

тановления основных закономерностей функционирования технологического оборудования в составе станочных участков, комплексов и агрегатов;

- практическая апробация разработанных имитационных моделей и результатов моделирования производственных линий на стеклотарном заводе ЗАО «Камышинский стекпотарный завод» с целью настройки технологических параметров автоматизированной системы управления для повышения производительности линии.

Методы исследований. Проведение исследований базируется на теоретических методах имитационного моделирования технологических процессов с использованием системных методов анализа и синтеза.

Научная новизна работы состоит в разработке методов и моделей для решения актуальных задач управления технологическим процессом стекло-тарного производства. Основные научные результаты, определяющие новизну исследования, заключаются в следующем:

- предложена математическая модель функционирования оборудования стеклотарного производства, на основе, которой синтезирована имитационная модель технологического процесса дискретно-непрерывного производства;

- полученные впервые статистические распределения случайных величин параметров функционирования технологического оборудования стекло-тарного производства позволяют повысить точность математического описания технологических процессов;

- разработана новая методика верификации имитационной модели процесса производства стеклотары, которая использует динамические и синтетические алгоритмы, что обеспечивает повышение точности реализации имитационной модели;

- разработана методика выбора эффективных технических средств автоматизации на основе установления основных закономерностей функционирования технологического оборудования, которая позволяет повысить надежность и производительность технологических линий стеклотарного производства и соответственно уменьшить себестоимость выпускаемой продукции.

Практическая значимость проведенного исследования заключается в разработке автоматизированного инструментария на основе имитационных моделей, позволяющих производить оптимизацию параметров функционирования оборудования по критерию производительности, устанавливать пропускную способность отдельных технологических звеньев, плановые нагрузки

на производственные линии, комплексы и агрегаты, обосновывать условия достижения и поддержания требуемой интенсивности производства и необходимого для этого парка оборудования. Разработанная методика позволяет автоматизировать процесс выбора эффективной структуры и параметров функционирования оборудования технологических линий, позволяющей повысить производительность технологической линии стеклотарного производства на 10-15%, а надежность работы оборудования на 20%.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Имитационные модели технологических процессов с использованием моделей функционирования технологического оборудования (на примере стеклотарного производства) позволяют учесть системный и дискретно-непрерывный характер протекания производственных процессов на уровне элементарных технологических операций, что дает возможность уменьшить вычислительную сложность полученных алгоритмов и сократить время проектирования (модернизацию) производственных линий стеклотарного производства.

2. Статистические распределения случайных величин параметров функционирования технологического оборудования стеклотарного производства, являющиеся базой при моделировании производственных процессов, позволяют повысить точность математического описания технологических процессов стеклотарного производства, что дает возможность учесть вероятностный характер функционирования оборудования.

3. Методика верификации имитационной модели процесса производства стеклотары использует динамические и синтетические алгоритмы, что обеспечивает повышение точности реализации имитационной модели.

4. Методика обоснования эффективных технических решений по выбору основных средств автоматизации технологической линии на основе установления основных закономерностей функционирования технологического оборудования дает возможность улучшить управление и повысить надежность и производительность технологических линий стеклотарного производства и соответственно уменьшить себестоимость выпускаемой продукции.

Реализация результатов исследования. Результаты исследования диссертационной работы нашли применение на ЗАО «Камышинский стекло-тарный завод» при организации и управлении технологическим процессом.

Имитационная модель, а также методика верификации модели и выбо-

ра эффективных технических средств автоматизации используются в Камы-шинском технологическом институте (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» при подготовке студентов по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника», специальности 230103 «Автоматизированные системы обработки информации и управления».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на IV Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2006); 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Управление инновациями: теория, инструменты, кадры» (Санкт-Петербург 2009); VI Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных трудов, из них 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, в которых полностью отражены полученные результаты.

Структура и объем диссертации. Структура диссертационной работы определена логикой и целью исследования. Она состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Материал изложен на 162 страницах основного текста, содержит 35 рисунков, 15 таблиц и 2 приложения. Список литературы включает 86 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая значимость результатов исследования, сформулированы основные положения, выносимые па защиту, дан краткий обзор диссертации по главам.

В первой главе сделан обзор работ в области имитационного моделирования технологических процессов и описаны особенности дискретно непрерывного производства. В качестве примера объекта такого класса в работе рассматривается стеклотарное производство (показано место стеклотарно-го производства в промышленности России). Рассмотрены современное состояние и тенденции развития стеклотарного производства, проблемы автоматизации и управления технологическими процессами на предприятиях отрасли, особенности их моделирования.

Проведенный анализ с позиций организации и построения эффективной системы управления показал, что объект производства и процессы управления материальными потоками в стеклотарном производстве являются стохастической системой.

При разработке имитационных моделей производственных линий, комплексов и агрегатов систему, можно разбить на т подсистем с функциями у ¡(г), у2({), ..., у„у(1), параметрами /г;> к2, ..., 1г„„ при наличии входных воздействий х/, х2, ..., х„х и воздействий внешней среды V;, ..., г„у. Тогда математической моделью процесса может служить система соотношений вида:

У1О) =1) (хь х2, ■■■■ ад V/, у2, ..., И/, к2, ..., к„„; ¡);

У2(0 =/'2 (хь х2, х„х; VI, у2, .... /г/, Ъ2, ..., ЬпН; 0;

УпуО) =/т (XI, х2, х„х; VI, Ул ..., У„У: /г,. к2, .... Кн; О-Объектом имитации является последовательная обработка исходного материала на нескольких машинах производственного участка. Каждая г-ая машина обеспечивает выполнение технологического процесса, включающего совокупность /-ых операций обработки, реализуя, таким образом, функциональные состояния оборудования Су. Производственный участок в данном примере можно рассматривать как систему, в которой обработка на каждой /'ой машине является технико-технологической подсистемой или функциональной компонентой 7777, всей системы.

Таким образом, компоненты 7777, представляет собой определенную последовательность функциональных состояний оборудования Су /-ой машины. В результате реализации Су в 7777; происходят события СБу (смена функционального состояния оборудования в подсистеме 7777г). При этом любое Су реализуется на некотором временном интервале гу. Каждая 7777, характеризуется понятием локального времени В системе все изменяются одновременно, однако характер этих изменений различен и определяется последовательностью временных интервалов ц.

В зависимости от состава алгоритмов А Су, наличия связей между компонентами, целей и задач моделирования выбирается тот или иной способ представления 7777, и реализации активностей Ру. Кроме того, процессы функционирования технико-технологических подсистем производственного участка протекают одновременно или параллельно. Задача программной имитации состоит в отображении параллельно протекающих процессов на

один вычислительный процесс. С этой целью вводится понятие квазипарал-лелыюго обслуживания активностей управляющей программой моделирования.

Статистические исследования сложных систем технологического оборудования требуют проведения большого объёма исследований по получению, накоплению, обработке и анализу информации, важнейшим этапом которых являются хронометражные наблюдения за работой отдельных машин с применением технических средств и инструментальных методов измерения.

При определении параметров эмпирического распределения исследуемых параметров использовались известные формулы математической статистики. Для получения точечной оценки неизвестных параметров /(х), Л/х, Ох, Р, теоретических распределений применён «метод моментов», заключающийся в приравнивании важнейших числовых характеристик (моментов) статистического и теоретических распределений. В качестве таких характеристик приняты математическое ожидание и дисперсия случайной величины, т. е. первые два момента Мх= х и = а2.

Во второй главе разработана имитационная модель функционирования оборудования технологических комплексов.

На основе системного подхода целостный процесс функционирования технологической линии стеклотарного производства на уровне структурных элементов можно представить в виде ряда взаимосвязанных технико-технологических подсистем стеклообработки: Т\- «Загрузка шихты и стеклобоя в стекловаренные печи», Тг~ «Стекловарение», Гз- «Выработка стеклоизде-лий», Г4- «Отжиг», Т5- «Сортировка», Т6- «Упаковка стеклоизделий» (рис.1).

Каждая подсистема при этом соответствует технологическим процессам, выполняемым определенным видом и типом оборудования, которое в свою очередь может принимать определенные технологические состояния. Формально процесс функционирования такой линии можно представить в виде графа, вершинами которого являются названные подсистемы (рис.1). Связи между подсистемами интерпретируются дугами.

Таблица 1

Графы перехода оборудования стеклотарного производства в подсистемах из одного технологического состояния в другое

Подсистема Оборудование Граф

Т1 - «Загрузка шихты и стеклобоя в стекловаренные печи» Ти - Подача стеклобоя в расходный бункер Т1.2 - Подача шихты и стеклобоя в бункер загрузчиков шихты То - Подача смеси в загрузочные карманы печей Цепной ковшовый элеватор Ленточный конвейер Наклонный лоток с вибраторомом Сі Су ^^ Су(С2, Сз, С4) С20 ,С22

Тг - «Стекловарение» Стекловаренная печь С1 С5 С,9

Тз - «Выработка стеклоизделий» Питатель Стеклоформующая машина с» (с«, С7) С20 Сі9 С21 ) С22

Т4 - «Отжиг» Т4.1 - Перегрузка стеклоизделий в печь отжига Т4.2 - Отжиг стеклоизделий Т4.3 - Транспортирование стеклоизделий в рабочем туннеле печи Пластинчатый конвейер Сталкиватель Печь отжига Сетчатый конвейер С19 Сі с8 ТуК/ С21 ^^ сг(с9,сю,сп) С20 - с2 С22

Т5 - «Сортировка» Разбраковочный аппарат Детектор качества С| Сп С20 С22

Те - «Упаковка стеклоизделий» Система конвейеров Упаковочная машина Рольганг Термоусадочная печь Ленточный транспортер с, / с ^ С20 С21 / V ! С17 2 Сів

Дальнейшая декомпозиция технико-технологических подсистем позво-

ляет выделить подсистемы низшего уровня, а также наиболее важные технологические операции, выполняемые стеклообрабатывающим оборудованием в рамках этих подсистем. Тогда процесс функционирования оборудования стеклотарного производства формально можно представить в виде последовательно связанных графов (табл. 1).

Вершины графов при этом принимают за технологические состояния рассматриваемого оборудования. Дуги и стрелки при таком подходе будут отражать направленность выполнения операций и их взаимосвязь. На основании графов технологических состояний стеклообрабатывающего оборудования (табл. 1) разработаны математические модели технико-технологических подсистем.

На их основе осуществлен синтез математической модели функционирования автоматизированной линии стеклотарного производства.

При этом учитывается, что подсистема Ti включает подсистемы низшего уровня Т11Д12, Т) з, а подсистема Т4 включает подсистемы низшего уровня T4.i,T4.2, Т4.3, (табл. 1). Исходя из выше изложенного, модель функционирования механизированной линии стеклотарного производства примет вид: Х(Ти), если (Г(/) = Ги)п(^лсй(0 < N„c6);

Tt(Ti 2), если (m = Ti2)n(N„„lc60) < Nmuc6)yj(T{,t) = 7;,)n(JV„c,(0 > NJ)-, Г,(Г13), если (Г(<) = Т13)п(*„(*) <NJu(T(l) = Tl2) n{Nmtc6(t) > Nnuic6); Тг, если (Tit) = T,)n(Nc(t) < Nc)v{T{t) = Tu)n(NJt) > NJ-, Тг, если (Г(0 = Г3)п(Хф(0 < Хф)и(Т(» = T2)n(Nc{t) > Nc); Г4(Г4,), если (Г(0 = Г41)п(ЛГ„(0 < N,)u(T(f) = T3)n(Nt(t) > Г4(Г4,), если (T(t) = Г42) л (ЛГ0(0 < )u(T(t) = T4 i)n(AT.(<) > iV„); Г4(Г43), ecra (Г(0 = Го)п(ЛГв„(0 < Nm)u(T(t) = Ta)n(N.(t)iN.y, Т5,если (T(t) = Ts)r\(NKJt) < NJu(T(t) = r4J)n(JV„„(i) > Г6, если (ДО = Г6) n (/) < ЛГт„) и (7X0 = 7S) о (Ar„ (t)>NJ.

где Nnc6(t), Nniirc6(t), Nnc(t) - случайная функция соответственно количества поданного стеклобоя в расходный бункер, шихты и стеклобоя - в бункер загрузчиков шихты, смеси - в загрузочные карманы печей; Nc(t), N^(t), N„(t), N0(t), Nm„(t), NKK(t), N„„(t) - случайная функция соответственно количества полученной стекломассы, формованных изделий; изделий, перегруженных в печь отжига; изделий, прошедших отжиг; изделий, транспортированных в

T(t + Дг) =

рабочем туннели печи; проверенных изделий, готовых пакетов; N„„6, N„0,- соответственно необходимое количество стеклобоя для подачи в расходный бункер, шихты и стеклобоя - в бункер загрузчиков шихты, смеси - в загрузочные карманы печей; Н/,, 1Ч„, N0, Ы„,„ N„„(1) - соответственно необходимое количество стекломассы, формованных изделий, изделий для перегрузки в печь отжига, изделий для отжига, изделий для транспортировки в рабочем туннели печи; изделий, требующих проверки; готовых пакетов.

Экспериментальной основой создания моделей послужило исследование статистических закономерностей распределения случайных величин протекания основных и вспомогательных процессов, времени восстановления, наработки на отказ для различных видов и типов станочного оборудования.

В диссертационной работе разработана и обоснована методика проведения верификации программы имитационной модели процесса производства стеклотары, использующая динамические и синтетические алгоритмы.

Процедура верификации сводится к сопоставлению результатов расчетов по модели с соответствующими экспериментальными данными. В отношении имитационной модели положение сложнее: в условиях действующих производственных процессов моделируемый объект подвергается различным управляющим и возмущающим воздействиям, надо ставить эксперимент с учетом требований чистоты, т. е. устранения влияния этих воздействий, что представляет собой трудную задачу.

На первом этапе верификации исправляют ошибки в записи программы на алгоритмическом языке, а затем переходят к верификации. На втором этапе верификации осуществляется подготовка к проведению имитационного моделирования (эксперимента). В ходе подготовки к имитационному моделированию рассчитываются исходные данные, для которых могут быть предсказаны результаты моделирования. Если окажется, что ПК выдает данные, противоречащие тем, которые ожидались при формировании модели, значит, модель неверна, т. е. она не соответствует заложенным в нее требованиям.

Для чистоты проведения верификации модели, если отсутствуют экспериментальные данные, следует применить различные программные среды, например, МаНаЬ, МаЛСас1 и т. д.

Но в связи с тем, что многое при проведении исследований на имитационной модели зависит от правильности написания, включения необходимых функциональных модулей и структурирования программы, на первом этапе

верификации имитационной модели необходимо провести верификацию самой программы имитационной модели.

В третьей главе разработана методика выбора эффективных технических средств автоматизации на основе установления основных закономерностей системного функционирования технологического оборудования в составе станочных участков, комплексов и агрегатов и позволяющая повысить надежность и производительность технологических линий стеклотарного производства и соответственно уменьшить себестоимость выпускаемой продукции.

Процесс разработки АСУ электромеханического комплекса стеклотарного производства (ЭМК СтПр) разбивается на две части:

1. обоснование и разработка структуры АСУ ЭМК СтПр;

2. расчет и выбор основных средств автоматизации.

В задачи алгоритма синтеза эффективной структуры АСУ ЭМК СтПр входят: синтез структуры управляемой системы, т. е. оптимальное разбиение множества управляемых объектов на отдельные подмножества, обладающие заданными характеристиками. На этом этапе производится: а) выбор числа уровней и подсистем (иерархии системы); б) выбор принципов организации управления, т. е. установление между уровнями правильных соотношений; в) выбор организационной иерархии.

Для определения оптимальной структуры АСУ ЭМК СтПр исходными данными являются:

1. Выполняемые системой функции, которые могут быть формализованы в виде множества решаемых задач Е = {£/}• Каждая из задач Е1 = 1,/ может состоять из этапов д,, д, =1, Qi и иметь вариантов =1,Д; решения в АСУ.

2. Связи между задачами и их этапами, которые могут задаваться в виде графа СЕ = \еч., Ед.| где [Ед.

3. Множество возможных узлов АСУ М = {-Му} и связей между ними,

которые задаются в виде графа С^ = |л/у, А/у |, где у, у =1,У.

В некоторых случаях может быть задан конечный набор вариантов возможных узлов АСУ ЭМК СтПр и связей между ними, т. е. С^ ,/=1, Г где

Сд , - у-й возможный вариант.

4. Виды и характеристики технических средств, применение которых возможно в АСУ ЭМК СтПр, пусть А = {а;} - множество возможных технических средств п 1 = 1, Ь - тип технического средства.

Тогда задача оптимальной структуры АСУ ЭМК СтПр состоит в нахождении: 1. узлов системы М; 2. связей между ними Сд/, 3. возлагаемых на технические средства задач Е и вариантов их решения (6/, г = 1, /) в распределении их по уровням и узлам системы и в выборе комплекса технических средств. Поэтому критерий эффективности может быть представлен

— х 4м-

где сор - эффект от внедрения д,-го этапа ¿-й задачи при использовании 5/-го

8-

варианта его решения; переменная х 1 ■ принимает значение 1, если с^-й

г

этап 1-й задачи при использовании 5/-го варианта его реализации решается в у'-м узле а^м техническим средством /-го типа, и значение О-в противном случае. Здесь предполагается, что каждый этап задачи решается в одном узле.

Оптимальная структура АСУ ЭМК СтПр определяется при ограничении на ресурсы, загрузку технических средств и своевременность решения задач, т. е.

8. 8-У Я 1 . ,х„1 .йЯ,,

где к = 1 ,К- тип ресурса; - величина используемого ресурса.

Временные ограничения для различных задач АСУ ЭМК СтПр могут иметь сложный вид и требуют анализа работы различных узлов. Аналогичный подход применим и для структурного синтеза адаптивной системы управления.

В четвертой главе рассмотрены вопросы практического применения, разработанной имитационной модели, методика выбора эффективных средств автоматизации на основе установления основных закономерностей системного функционирования технологического оборудования в составе станочных участков, комплексов и агрегатов. Эффективность разработанных

алгоритмов и имитационной модели была подтверждена практикой функционирования технологического процесса на стеклотарном заводе ЗАО «Ка-мышинский стеклотарный завод».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Диссертационная работа является законченным исследованием на актуальную тему, содержащим ряд новых научных результатов в области управления технологическими процессами в интегрированных комплексах стекло-тарного производства. Основные задачи, сформулированные и решенные в работе, имеют большое значение для обеспечения устойчивого роста предприятий стеклотарного производства.

В соответствии с поставленными задачами в рамках проведенных исследований и разработок получены следующие основные результаты:

1. Разработаны имитационные модели технологических процессов дискретно-непрерывного производства с использованием моделей функционирования технологического оборудования (на примере стеклотарного производства), позволяющие учесть системный и вероятностный характер протекания производственных процессов на уровне элементарных технологических операций, и сократить время проектирования (модернизацию) производственных линий стеклотарного производства.

2. Получены впервые статистические распределения случайных величин параметров функционирования технологического оборудования непрерывно-дискретного производства стеклотарного производства, подчиняющиеся основным законам распределения, позволяют повысить точность математического описания технологических процессов стеклотарного производства.

3. Разработана новая методика верификации имитационной модели процесса производства стеклотары, которая использует динамические и синтетические алгоритмы, что обеспечивает повышение точности реализации имитационной модели.

4. Разработана методика выбора эффективных технических средств автоматизации технологической линии стеклотарного производства на основе установления основных закономерностей функционирования технологического оборудования, позволяющая повысить надежность и производительность технологических линий стеклотарного производства и соответственно уменьшить себестоимость выпускаемой продукции.

5. Результаты исследования диссертационной работы нашли применение и показали положительный опыт использования на стеклотарном заводе ЗАО «Камышинский стеклотарный завод».

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Морозова Е. В., Редько С. Г. Модели и алгоритмы имитации технологических процессов производства стеклотары // Автоматизация и современные технологии. - 2010. - 2. - С. 11-15.

2. Морозова Е. В. Математические модели функционирования технологического оборудования промышленного производства // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. - 2011. - 5.-С. 91-95.

3. Морозова Е.В. Разработка структуры автоматизированной системы управления технологическим процессом производства стеклянной тары // Современные проблемы науки и образования. - 2011. - 6; URL: www.science-education.ru/100-5026

4. Редько С.Г., Морозова Е.В. Компьютерное моделирование параметров технологического оборудования стеклотарного производства // Современные проблемы науки и образования. - 2011. - 6; URL: www.science-education.ru/100-5025

5. Морозова Е. В. Автоматизированное управление массовым стекло-тарным производством на базе моделей функционирования технологического оборудования - СПб.: ООО «Техномедиа» / Изд-во «Эльмор», 2011. - 166 с.

6. Морозова Е. В. Моделирование параметров функционирования технологических линий для поддержки задач управления стеклотарным производством // Стекло мира. - 2007. - 5. - С. 89.

7. Морозова Е. В. Моделирование технологических процессов производства стеклотары // Стеклянная тара. - 2007. - 10. - С. 14.

8. Редько С. Г., Морозова Е. В. Особенности имитационного моделирования стеклотарного производства // Современные проблемы науки и образования. - 2009. - 5. - С.121-126.

9. Редько С. Г., Морозова Е. В. Функционально-структурное моделирование технологических процессов стеклотарного производства // Современные проблемы науки и образования. - 2009. - 6. - С. 116-121.

10. Морозова Е. В., Редько С. Г. Модель событий процесса производства стеклотары // Управление инновациями: теория, инструменты, кадры. 4-6 июня 2009г.: Материалы 2-ой Всероссийской научно-практической конференции/ СПбГПУ. - г. Санкт-Петербург, 2009. - С. 144-147.

11. Редько С.Г., Эпов А. А., Морозова Е. В. Разработка концептуальной модели функционирования механизированной линии стеклотарного производства // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: Материалы IV всероссийской конференции / КТИ ВолгГТУ. - Камышин, 2006. - С. 189-192.

12. Редько С. Г., Эпов А. А., Морозова Е. В., Использование имитационных моделей на этапах проектирования сложных систем. Инновационные технологии в обучении и производстве: Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции, г. Камышин, Т.4 / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010.-С. 155-158.

Подписано в печать 21.02.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8865Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

61 12-5/2599

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЛИНИЕЙ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНОГО ПРОИЗВОДСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ (НА ПРИМЕРЕ СТЕКЛОТАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА)

Специальность - 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (сфера услуг)

Научный руководитель- доктор технических наук, с.н.с. Редько С. Г.

На правах рукописи

Морозова Елена Васильевна

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................................11

1.1. Основные принципы имитационного моделирования дискретно-непрерывных систем..................................................................................................................................II

1.2. Разработка механизма имитации моделируемых объектов дискретно-непрерывного производства.........................................................

1.3. Статистические аспекты имитационного моделирования.........................26

1.4. Общая характеристика современного стеклотарного производства........30

1.4.1. Классификация стеклянной тары..............................................................30

1.4.2. Краткий обзор рынка стеклянной тары....................................................33

1.4.3. Структура производства стеклотары по видам........................................35

1.4.4. Производство стеклотары по цвету...........................................................37

1.5. Технологические и технические факторы производства стеклотары......38

1.6. Описание типового технологического процесса стеклотарного производства....................................................................................................................................................41

1.6.1. Загрузка шихты и стеклобоя......................................................................41

1.6.2. Стекловарение..................................................................................................................................................43

1.6.3. Выработка стеклоизделий......................................................................................................................48

1.6.4. Отжиг..............................................................................

1.6.5. Сортировка........................................................................................................................................................^3

1.6.6. Упаковка стеклоизделий........................................................................................................................54

1.7. Характеристика АСУ электромеханических комплексов стеклотарного

производства......................................................................................................................................................................^

Выводы по первой главе..................................................................................................................................70

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ...........................................................71

2.1.1. Вербальная модель производства стеклотары.........................................71

2.1.2. Декомпозиция процесса стеклотарного производства............................73

2.2. Разработка имитационной модели................................................................78

2.3. Статистические аспекты имитационной модели........................................84

2.4. Структура и конфигурация имитационной модели....................................86

2.5. Алгоритмы моделирования...........................................................................88

2.6. Верификация модели и программы имитационного моделирования процесса производства стеклотары.....................................................................97

2.6.1. Верификация программы имитационной модели....................................98

2.6.2. Тестирование программы имитационной модели СтПр.......................100

Выводы по второй главе.....................................................................................102

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА ЭФФЕКТИВНОЙ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ.....................................103

3.1. Построение автоматизированной системы управления технологического комплекса стеклотарного производства............................................................103

3.2. Основные требования к технологическим процессам и оборудованию ЭМК СтПр............................................................................................................104

3.3. Методы оценки эффективности АСУ ЭМК СтПр....................................110

3.3.1. Финансовые методы определения эффективности АСУ ЭМК.............112

3.3.2. Качественные методы определения эффективности АСУ ЭМК............114

3.4. Подходы к структурному синтезу АСУ ЭМК СтПр.................................115

3.5. Разработка алгоритмов структурного синтеза АСУ ЭМК СтПр.............120

3.5.1. Алгоритм структурного синтеза АСУ ЭМК СтПр с использованием

теории графов.......................................................................................................122

3.5.2 Алгоритм структурного синтеза АСУ ЭМК СтПр с использованием функционала качества.........................................................................................125

3.6. Методика параметрического синтеза АСУ ЭМК стеклотарного

производства........................................................................................................127

3.6.1. Компьютерные методы оптимизации параметров АСУ ЭМК стеклотарного производства...............................................................................129

3.7. Методика выбора автоматизированных электроприводов ЭМК

стеклотарного производства...............................................................................133

Выводы по 3 главе...............................................................................................136

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ «ЗАО КСЗ» 138

4.1. Программная реализация имитационной модели.....................................138

4.2. Имитационное моделирование системы управления технологическим

конвейером по производству стеклотары.........................................................141

Выводы по 4 главе...............................................................................................151

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ А................................................................................................160

ПРИЛОЖЕНИЕ Б................................................................................................163

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время оборудование промышленного производства характеризуется, во-первых, разной степенью автоматизации, во-вторых, различной степенью специализации и комплексного использования оборудования в зависимости от вида и объёма производства. Интенсификация и концентрация большинства производств на базе комплексной автоматизации технологических процессов связывается сегодня с работой не отдельных машин, а с комплексом машин, внутри которого взаимосвязь и сбалансированность структуры и параметров системы приобретают решающее значение. При этом формирование сложных технологических подсистем, какими являются участки, комплексы и агрегаты оборудования, ведется, как правило, в условиях значительной неопределенности и фактической неосуществимости натурного проверочного эксперимента с целью оптимизации параметров и процессов.

Одним из основных сдерживающих факторов является отсутствие развитого программно-методического обеспечения, позволяющего на основе современных информационных технологий оперативно осуществлять функционально-структурное моделирование и проектирование производственных линий, комплексов и агрегатов, как сложных производственных систем.

Решением проблемы в данном случае является математическое моделирование производственных линий, комплексов и агрегатов на ЭВМ с использованием системных методов анализа и синтеза на основе вероятностных имитационных моделей их реального функционирования.

В развитие теории моделирования технологических процессов внесли существенный вклад зарубежные специалисты: Р. Акофф, Ф. Эмери, Ст. Оптнер (математическое описание дискретных систем), Ст. Бир, Дж. Форре-стер (теория моделирования дискретных систем) и др., а также отечественные специалисты: В. М. Глушков, Л. В. Кантарович (теория моделирования сложных систем), В. Н. Бусленко, Б. Я. Советов, С. А. Яковлев (функционально-структурное моделирование). Для преодоления фактора стохастиче-

ской неопределенности предлагаются методы адаптивного управления Я.З.Цыпкин, Л.С. Понтрягин, В.А.Якубович, И. Л. Туккель и др.

Кроме того, управляющие воздействия и переменные состояния практически всегда ограничены, но теоретические основы учета этих ограничений в настоящее время разработаны недостаточно.

Таким образом, актуальность темы работы в решении теоретических вопросов состоит в выработке метода моделирования технологических процессов дискретно-непрерывного производства с использованием моделей функционирования технологического оборудования, как единой стохастической системы и синтеза алгоритмического и программного обеспечения, основанного на декомпозиции автоматизированной системы управления технологическим процессом на функциональные подсистемы.

Актуальность темы в решении прикладных задач подтверждается возможностью использования результатов для достаточно широкого класса промышленных объектов, которым свойственен стохастический механизм функционирования оборудования (пищевая, химическая, строительная промышленность). В качестве примера объекта данного класса рассматривается стеклотарное производство, что подтверждается большим количеством стек-лотарных заводов, требующих оптимизации производственных процессов, модернизации или вновь строящихся.

Объектом исследования является линия дискретно-непрерывного производства.

Предметом исследования являются модели производственного процесса (функционирования технологического оборудования) для поддержки решения задач управления.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности системы управления технологическим процессом дискретно-непрерывного производства на основе использования имитационных моделей функционирования оборудования с учетом адаптации параметров его функционирования, как единой стохастической системы.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

- разработка имитационных моделей технологических процессов дискретно-непрерывного производства с использованием моделей функционирования технологического оборудования (на примере стеклотарного производства), учитывающих системный и вероятностный характер протекания производственных процессов на уровне элементарных технологических операций;

- получение статистических распределений случайных величин параметров функционирования технологического оборудования стеклотарного производства на базе теоретических и экспериментальных исследований для моделирования производственных процессов;

- разработка методики верификации имитационной модели процесса производства стеклотары, использующей динамические и синтетические алгоритмы.

- разработка методики выбора эффективных технических средств автоматизации технологической линии стеклотарного производства на основе установления основных закономерностей функционирования технологического оборудования в составе станочных участков, комплексов и агрегатов;

- практическая апробация разработанных имитационных моделей и результатов моделирования производственных линий на стеклотарном заводе ЗАО «Камышинский стеклотарный завод» с целью настройки технологических параметров автоматизированной системы управления для повышения производительности линии.

Методы исследований. Проведение исследований базируется на теоретических методах имитационного моделирования технологических процессов с использованием системных методов анализа и синтеза.

Достоверность результатов. Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается путем сопоставления результатов моделирования с экспериментальными данными.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в разработке методов и моделей для решения актуальных задач управления технологическим процессом дискретно-непрерывного производства. Основные научные результаты, определяющие новизну исследования, заключаются в следующем:

- предложена математическая модель функционирования оборудования стеклотарного производства, на основе, которой синтезирована имитационная модель технологического процесса дискретно-непрерывного производства;

- полученные впервые статистические распределения случайных величин параметров функционирования технологического оборудования стекло-тарного производства позволяют повысить точность математического описания технологических процессов;

- разработана новая методика верификации имитационной модели процесса производства стеклотары, которая использует динамические и синтетические алгоритмы, что обеспечивает повышение точности реализации имитационной модели;

- разработана методика выбора эффективных технических решений по выбору основных средств автоматизации технологической линии стеклотарного производства на основе установления основных закономерностей функционирования технологического оборудования, которая позволяет повысить надежность и производительность технологических линий стеклотарного производства и соответственно уменьшить себестоимость выпускаемой продукции.

Практическая значимость результатов работы заключается в разработке автоматизированного инструментария на основе имитационных моделей, позволяющих производить оптимизацию параметров функционирования оборудования по критерию производительности, устанавливать пропускную способность отдельных технологических звеньев, плановые нагрузки на производственные линии, комплексы и агрегаты, обосновывать условия достижения и поддержания требуемой интенсивности производства и необходимого для этого парка оборудования. Разработанная методика позволяет автоматизировать процесс выбора эффективной структуры и параметров функцио-

нирования оборудования технологических линий, позволяющей повысить производительность технологической линии стеклотарного производства на 10-15%, а надежность работы оборудования на 20%.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Имитационные модели технологических процессов дискретно-непрерывного производства с использованием моделей функционирования технологического оборудования (на примере стеклотарного производства) позволяют учесть системный и вероятностный характер протекания производственных процессов на уровне элементарных технологических операций, что дает возможность уменьшить вычислительную сложность полученных алгоритмов и сократить время проектирования (модернизацию) производственных линий стеклотарного производства.

2. Статистические распределения случайных величин параметров функционирования технологического оборудования стеклотарного производства, являющиеся базой при моделировании производственных процессов, позволяют повысить точность математического описания технологических процессов стеклотарного производства, что дает возможность учесть вероятностный характер функционирования оборудования.

3. Методика верификации имитационной модели процесса производства стеклотары использует динамические и синтетические алгоритмы, что обеспечивает повышение точности реализации имитационной модели.

4. Методика обоснования эффективных технических решений по выбору основных средств автоматизации технологической линии стеклотарного производства на основе установления основных закономерностей функционирования технологического оборудования дает возможность улучшить управление и повысить надежность и производительность технологических линий стеклотарного производства и соответственно уменьшить себестоимость выпускаемой продукции.

Реализация результатов исследования. Результаты исследования диссертационной работы нашли применение на ЗАО «Камышинский стекло-тарный завод» при организации и управлении технологическим процессом.

Имитационная модель, а также методика верификации модели и выбора эффективных технических средств автоматизации используются в Камышин-ском технологическом институте (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» при подготовке студентов по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника», специальности 230103 «Автоматизированные системы обработки информации и управления».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на III Всероссийская конференция «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2005); IV Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2006); 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Управление инновациями: теория, инструменты, кадры» (Санкт-Петербург 2009); VI Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2009).

Публикации. В ходе работы над диссертацией была опубликована 1 монография и 11 статей, из них 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, в которых полностью отражены полученн�