автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Интегрированная система обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия

005011143

Самарина Анастасия Михайловна

ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБУЧЕНИЯ ОПЕРАТОРОВ УПРАВЛЕНИЮ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИЗА В ПРОИЗВОДСТВЕ АЛЮМИНИЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-1 ндр яга

Санкт-Петербург

2012

005011143

Самарина Анастасия Михайловна

ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБУЧЕНИЯ ОПЕРАТОРОВ УПРАВЛЕНИЮ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИЗА В ПРОИЗВОДСТВЕ АЛЮМИНИЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждени. высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологически институт (технический университет)»

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация:

ООО «ЛЕННИИГИПРОХИМ», г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится « о » t2012 года в 'А-^ часов на заседали Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.230.03 при федерально государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессиональног образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технически университет)» по адресу: 190013, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26, ауд. 6L

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190013 г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26, СПбГТИ(ТУ), Ученый Совет; тел.: (812) 494-93-75 тел/факс (812) 712-77-91, e-mail: dissovet@lti-eti.ru.

-7 О.

Автореферат разослан « <-? » ¿jSPOjigwJ? 2012 года

Ершова Ольга Владимировна

Русинов Леон Абрамович

Кадыров Энвер Джумагелдиевич

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф.

/1 /

/

В.И. Хаттон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Анализ современного состояния предприятий химической, в том числе алюминиевой отрасли, показывает, что более 60% неблагоприятных производственных ситуаций приходится на «человеческий фактор». В связи с ужесточением требований к безопасности и увеличением сложности технологических процессов (ТП) растет интерес к внедрению современных систем обучения и переподготовки квалифицированного персонала. Причины использования компьютерных систем обучения и тренажерных комплексов заключаются в качественно иных возможностях, предоставляемых современными информационными технологиями, на базе которых они разрабатываются. Разнообразие и сложность ТП делают такие системы достаточно дорогими средствами обучения оперативно-технического персонала, в том числе на предприятиях алюминиевой промышленности, в которой количество систем для подготовки персонала невелико. С учетом того, что в настоящее время наибольший интерес представляют собой системы обучения, интегрируемые в проектируемые или функционирующие автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), очевидна потребность в разработке интегрированной системы для подготовки оперативно-технического персонала в производстве алюминия.

Для разработки интегрированной системы были изучены известные работы в области автоматизированных систем обучения и компьютерных тренажеров для подготовки производственного персонала таких авторитетных ученых как В.М. Дозорцев, Т.Б. Чистякова,

Э.Л. Ицкович, B.C. Балакирев, С.И. Магид; в области математического моделирования и систем управления процессом получения алюминия - работы М.Я. Фитермана, Р.Г. Локшина, М.Я. Минциса, А.И. Беляева, Т.В. Пискажовой и других, в которых отмечена необходимость обучения производственного персонала с помощью современных программных средств.

Таким образом, разработка интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия является актуальной задачей инновационного развития, имеющей научную и практическую ценность. Существенное значение в повышении качества управления электролизерами производства алюминия имеет интеграция системы обучения и АСУТП, используемой на предприятии, поскольку обучаемый будет приобретать профессиональные умения и навыки управления с помощью приближенных к промышленным интерфейсов операторов, на которых он впоследствии будет работать. Опытный персонал в отсутствии нештатных ситуаций имеет возможность повышать свою квалификацию путем изучения причинно-следственных связей и закрепления навыков управления в различных режимах функционирования процесса электролиза производства алюминия.

Целью работы является разработка интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия, предназначенной для подготовки и повышения квалификации производственного персонала, принимающего решения по управлению,

и функционирующей автономно или в рамках единого информационного пространства предприятия.

Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести обзор современных систем компьютерного обучения, а также систем управления и систем обучения для подготовки квалифицированных специалистов, используемых на предприятиях алюминиевой отрасли, определить основные требования к разрабатываемой системе, обосновать перечень составляющих её компонентов;

- изучить процесс получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава, определить особенности процесса как объекта исследования и управления, составить его формализованное описание. Разработать информационное обеспечение, включающее базу данных параметров технологического процесса и базу знаний, в которой систематизированы типовые нештатные ситуации, описывающие нарушения регламентного режима;

- разработать функциональную структуру интегрированной системы обучения операторов;

-разработать математическое обеспечение системы, включающее математическую модель

процесса получения алюминия, алгоритмы решения уравнений математической модели и поиска значений управляющих воздействий. На основании экспериментальных данных провести проверку адекватности модели;

-для повышения эффективности обучения разработать информационный справочник, трехмерные модели электролизеров, модуль тестирования знаний обучаемого;

-разработать программное обеспечение интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия, позволяющее на базе приближенных к промышленным интерфейсов обучаемого проводить подготовку и повышение квалификации производственного персонала;

- провести тестирование и внедрение интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза производства алюминия.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- синтезирована математическая модель электролитического процесса получения алюминия, описывающая влияние электрических характеристик и управляющих воздействий на выходные показатели процесса и позволяющая изучать причинно-следственные связи процесса и проводить исследования процесса;

-разработана функциональная структура интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия, включающая функциональные модули, модули для обучения и интегрированное с АСУТП информационное обеспечение;

- разработаны сценарии обучения для приобретения навыков управления процессом электролиза производства алюминия в штатных и нештатных ситуациях в режиме самостоятельного обучения и под руководством инструктора;

- разработано алгоритмическое и программное обеспечение интегрированной системы

4

обучения операторов, позволяющее обучаемым получать знания об особенностях управления процессом, изучать устройство электролизеров по трехмерным моделям, проводить тестирование знаний и приобретать навыки эффективного управления процессом электролиза производства алюминия.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы системного анализа, математического моделирования, численного решения систем дифференциальных уравнений, проектирования баз данных, обработки экспериментальных данных, объектно-ориентированного программирования.

Практическая ценность работы. Разработано информационное, математическое, алгоритмическое и программное обеспечение интегрированной системы обучения операторов управлению процессом получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава. Интегрированная система внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию ОАО «СУАЛ» филиал «ВАЗ СУАЛ». Применение интегрированной системы позволяет повысить квалификацию персонала, принимающего решения по управлению процессом, что обеспечит повышение безопасности и эффективности производства алюминия. Также применение системы приведет к снижению финансовых и временных затрат на обучение производственного персонала.

Реализация результатов. Интегрированная система принята к внедрению в опытнопромышленную эксплуатацию, а также в учебный центр ОАО «СУАЛ» филиал «ВАЗ СУАЛ» для подготовки операторов ТП производства алюминия. Результаты работы внедрены в учебный и научно-исследовательский процессы кафедр систем автоматизированного проектирования и управления и технологии электрохимических производств Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), кафедры автоматизации производственных процессов Иркутского государственного технического университета, а также использовались при проведении практических занятий для подготовки студентов в рамках корпоративного университета «РУСАЛ-ВАМИ».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и научно-технических конференциях: международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ (ММТТ-20, г. Ярославль, 2007 г.; ММТТ-21, г. Саратов, 2008 г.; ММТТ-22, г. Псков, 2009 г.; ММТТ-23, г. Смоленск, 2010 г.); научных конференциях '«Автоматизация в промышленности» Института проблем управления РАН, г. Москва, 2007 г., 2008 г.; всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Электротермия-2008», г. Санкт-Петербург, 2008 г.; 33-й международный семинар

«Автоматизация. Программно-технические средства. Системы. Применения» Института проблем управления РАН, г. Москва, 2009 г.; международной научной конференции «Математическое моделирование и информационные технологии», г. Одесса, 2009 г.; международной научно-

практической конференции «Передовые информационные технологии, средства и их внедрение на российских предприятиях» AITA-2011, г. Москва, 2011 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ в Роспатенте; 3 статьи опубликованы в журналах из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ, одна из которых переведена на английский язык и опубликована в журнале «Automation and Remote Control».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, _4_ глав, заключения, списка литературы и _5_ приложений. Работа изложена на 162 страницах, содержит .50. рисунков и JJL таблиц. Список литературы включает 132 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, перечислены основные результаты, полученные при решении поставленных задач, дано краткое содержание работы.

В первой главе проведен обзор рынка алюминия, проанализированы существующие АСУТП, используемые в алюминиевой отрасли; от первых отечественных модификаций, таких как «Алюминий», «Электролиз», разработанных в середине прошлого века, до современных систем «Тролль», «СААТ», «Электра», «ШУЭ БМ», «NEVA», которые в настоящее время применяются на предприятиях. Также рассматриваются зарубежные АСУТП фирм «Honeywell», «Alcan», «ASG», «Beijing Kernel Power Technology», «FF ELETRONICA» и т.п. На основе анализа выделены типовые модули, различия в структуре, конструкции и программном обеспечении. Выявлены недостатки рассмотренных систем: ограниченность применения на алюминиевых производствах, так как многие предназначены для работы на конкретном предприятии; отличие интерфейса обучаемого от интерфейса оператора процесса электролиза на производстве алюминия.

Проведен обзор современных компьютерных систем обучения, описаны составляющие их компоненты и функции обучения. На основании обзора приведена классификация компьютерных систем обучения, с точки зрения которой система обучения должна быть комплексной. Анализ современных систем обучения, используемых для подготовки оперативно-технического персонала алюминиевой отрасли, показал, что на сегодняшний день недостаточно обучающих отечественных систем, а внедрение зарубежных аналогов дорого и требует дополнительных усилий по их адаптации к особенностям отечественных предприятий и русификации.

Таким образом, актуальна задача разработки интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия, позволяющей осуществлять подготовку и повышение квалификации производственного персонала при освоении стандартных процедур управления, разрабатывать и проверять новые стратегии управления и новые

технологические режимы и функционирующей автономно или в рамках единого информационного пространства АСУТП предприятия.

Во второй главе рассмотрен промышленный способ получения алюминия электролизом криолит-глиноземных расплавов, выделены основные технологические стадии производства, приведены основные требования к качеству сырья и качеству получаемого алюминия, выявлены основные факторы, влияющие на выходные показатели процесса. Рассмотрены конструктивные особенности электролизеров, которые важно учитывать при настройке системы обучения на различные типы электролизеров.

Процесс электролиза криолит-глиноземных расплавов заключается в электрохимическом разложении глинозема (А.12О3) в расплаве криолита ('¿)9 в результате чего на катоде происходит выделение алюминия, а на аноде - газообразных оксидов углерода. Суммарная реакция разложения глинозема в промышленных электролизерах имеет вид:

2Л1203 +ЗС = 4А/ + ЗС02,

Л1203 + ЗС = 2 А/ + ЗСО.

(1)

Формализованное описание процесса электролиза в производстве алюминия как объекта изучения и управления (рисунок 1) можно охарактеризовать совокупностью технологических параметров, их пороговых ограничений и функциональных соотношений математической модели:

у = <р(х, ¿1,7), (2)

где х - вектор входных параметров процесса; ц - вектор управляющих воздействий; / - вектор возмущающих воздействий; у - вектор выходных параметров процесса.

^electrolyzer ■

F

electrical ’

& material

= х nd

y =

GAl»mAl >Welectrolite » CA/2o3 ^mpr ’ ^anode _ effect ’ Лseries

II O’ T

4 work ’ iC >x electrolite

электролизер

f = {ЫS'r,'„T^

Рисунок 1 - Формализованное описание процесса получения алюминия электролизом криолит-глиноземных расплавов

Здесь ^¡еаго/ухг ~ конструктивные параметры электролизера; ЕекагЫ - электрические параметры электролизера (I - сила тока электролизной серии, А; Р - мощность электролизной серии,Вт); gЖЦtrЫ - удельные расходы сырья (gMЛ -удельный расход глинозема, кг/кгм; ~ удельный расход анодов/анодной массы, кг/кг^; g¡,шr,de - удельный расход фтористых

солей, кг/кгд]); АвА,л -расход загружаемого глинозема, кг/с; Д/^-изменение положения анодов, м; Д/5ег(ет -флуктуации тока серии, А; Тп - температура окружающей среды,°С; &л! -производительность электролизера, кг/с; тм - количество алюминия в электролизере, кг; т,1,сМ1и ~ количество электролита в электролизере, кг; Смл - концентрация глинозема в электролите, мае. доли; !трг - межполюсное расстояние, м; паю1с фс, - количество анодных эффектов на электролизере; т),^ - выход по току,%; ^-рабочее напряжение, В; 2' - количество тепла в электролизере, Дж; ТЫеагЫ1л - температура электролита, °С.

В процессе получения алюминия возникают различные эксплуатационные (в рамках нормального режима функционирования) и нештатные ситуации (отклонение от нормы и превышение допустимых границ изменения параметров). На основе разработанного формализованного описания были сформулированы задачи управления в штатных и нештатных ситуациях, а также задачи обучения производственного персонала эффективному и безопасному управлению ТП.

В штатном режиме задача управления заключается в том, чтобы при действии на объект возмущающих воздействий и при соблюдении ограничений на значения параметров ТП (расходы сырья, концентрацию глинозема в электролите, межполюсного расстояния, количество затраченной электроэнергии и т.п.) найти такие значения управляющих воздействий, удовлетворяющих ограничениям, которые обеспечивают заданную производительность электролизера при обеспечении требуемого качества алюминия.

Задачей управления в нештатных ситуациях является распознавание ситуации, определение и реализация таких значений управляющих воздействий, которые обеспечат выход объекта из режима нарушения регламентных границ значений технологических параметров и возвращение их в допустимый диапазон функционирования.

Для принятия решений по реализации необходимых управляющих воздействий производственный персонал должен иметь опыт и соответствующие навыки управления, поэтому задача обучения заключается в том, чтобы обучить производственный персонал приемам управления в различных режимах функционирования: в регламентном режиме и режиме нештатных ситуаций.

Для разработки математической модели процесса была проведена оценка влияния различных параметров на выход по току, являющийся основным показателем работы электролизера. В результате анализа выявлено, что текущее состояние электролизера характеризуется следующими показателями: межполюсным расстоянием, количеством алюминия и электролита, концентрацией глинозема в электролите, температурой электролита, напряжением на электролизере.

В третьей главе представлено математическое обеспечение интегрированной системы обучения операторов, включающее математическую модель электрохимического процесса

8

получения алюминия, позволяющую рассчитывать значения выходных параметров объекта изучения и управления. Значения управляющих воздействий (расход глинозема и положение анода) определяются по разработанным алгоритмам управления.

Математическое описание процесса представляет собой совокупность дифференциальных и алгебраических уравнений: тепловой модели электролизера для расчета тепловых затрат на реакции взаимодействия компонентов и нагрев сырья; материального и электрического балансов для расчета расхода сырья, производительности электролизера (электролизной серии), концентрации глинозема в электролите, значения межполюсного расстояния, затрат электроэнергии по статьям.

В настоящее время отсутствуют промышленные способы непрерывных измерений переменных состояния электролизера, автоматическому контролю доступны напряжение на электролизере и ток, проходящий через него. Эти параметры связаны с переменными состояния электролизера через его сопротивление и обратную ЭДС, из чего можно получить явную зависимость напряжения электролизера от переменных состояния:

u«on,=l-R + E, (3)

I R. — (р^ (1трг, С, Teiectrollte),

= <Pz(CAii0j >Т1ЫгоШ,), ( ^

где R - сопротивление электролизера, Ом; Е - обратная ЭДС, В.

Представляя электролизер одной сосредоточенной тепловой емкостью, уравнение теплового баланса можно представить в виде:

1. Qtnergy Qm Qout Qloss Qchem effect ' (5)

Ш i j

где Q' - количество тепла в электролизере, включая теплоту плавления электролита, Дж; Qenergy ~ расход электроэнергии, Вт; ]Г<2„ - тепло входных и выходных материальных

потоков (глинозема, углерода, анода, отбираемого металла, отходящих газов), Вт; Qlms - поток теплопотерь в окружающую среду, Вт; Qchem_eficl - общий энергетический эффект всех химических реакций в электролизере, Вт.

В процессе функционирования электролизера происходит изменение состава электролита, которое непосредственно связано с поступлением и расходом сырья и вспомогательных 'материалов. Масса жидкого электролита также непостоянна во времени. Изменение массы электролита во времени определяется уравнением межфазного теплового баланса:

Qthclrdit = аelearolil ' ^elearolil ' (Telearalit ~ ^smelt) ~ Q/au, > (6)

где Чelectron, - удельная теплота плавления электролита, Дж/кг; а„1етШ - коэффициент теплоотдачи от электролита (в зоне плавления), Вт/(мг-°С). SekarM - площадь поверхности теплоотдачи, м2;

тт,п - температура глинозема в зоне плавления, °С; - поток потерь тепла в зоне

плавления, Вт.

Электролизер как объект управления по каналу концентрации глинозема представляет собой простое инерционное звено, описываемое уравнением материального баланса по растворенному глинозему:

глинозема, кг/с; СА, - расход образующегося алюминия, кг/с; км - стехиометрический коэффициент реакции разложения глинозема.

Механизм питания электролизных ванн глиноземом предусматривает периодическую загрузку фиксированной дозы глинозема. В этом случае управляющим воздействием является не мгновенный расход глинозема, а частота его дозирования, что соответствует различным режимам питания ванны. В настоящее время отсутствуют промышленные способы оперативного автоматического контроля концентрации глинозема, поэтому ее оценивают по результатам изменений напряжения на электролизере и тока, проходящего через него. Расход загружаемого в электролизную ванну глинозема необходимо изменять в зависимости от знака отклонения текущего значения концентрации от ее заданного значения, что можно представить в следующем виде:

где , ДОЛ]С,!тп - максимальное и минимальное значения расхода загружаемого

глинозема в электролите, масс. доли.

Важнейшим параметром в процессе электролиза является межполюсное расстояние, от него зависят расход электроэнергии, температура электролита и выход по току. Величина межполюсного расстояния зависит от конструктивных и технологических параметров электролизера. Между сопротивлением электролита и текущим положением анодов существует статическая (безынерционная) связь, поэтому межполюсное расстояние используется в качестве основного управляющего воздействия. Наиболее экономичным режимом работы электролизера является режим при возможно более низком межполюсном расстоянии, так как при этом снижается расход электроэнергии, однако при очень низком положении анода, определяющем межполюсное расстояние, может произойти перегрев электролита и нарушение нормального режима работы.

Для определения значения межполюсного расстояния применяется косвенный метод,

те1естш ' ^ = - км ■ СМ1,

где Смл - концентрация глинозема в электролите, мае. доли;

- расход загружаемого

(7)

глинозема, кг/с; СЛ:О,и01> См2о,т1п - максимальное и минимальное значения концентрации

основанный на определении электрического сопротивления электролита. Считая, что сопротивление межполюсного зазора является главной составной частью общего сопротивления ванны, а сопротивление всех остальных участков остаются неизменными, то сопротивление электролита пропорционально сопротивлению межполюсного расстояния:

п ____ ^трг

трг *“ Ре1ес1го1И ’ Т) > \9)

е!еагоШ

где Лтрг - сопротивление электролита между катодом и анодом, Ом; ре1етЫи - удельное электросопротивление электролита, Ом-м; 1трг - межполюсное расстояние, м; -

проводящего сечения электролита, м2.

Регулирование положения анодов сводится к поддержанию постоянным межполюсного расстояния. Если значение межполюсного расстояния на электролизере меньше или больше требуемого, то необходимо определить величину и направление перемещения анода:

1 Г'!'А/«*, ест Д

'чч- [Т МаШе, если Ыяи*>е,щг,1я,Гт<1ярГтт'

где 1трГаг - текущее значение межполюсного расстояния, м; 1трГт - номинальное значение межполюсного расстояния, м; 4- Ытш11, Т Д- направление и величина перемещения анода (опустить, поднять), м; е, - допустимое отклонение значения межполюсного расстояния, м.

Совместное решение уравнений динамики позволяет получить информацию об изменении параметров ТП во времени. Результаты расчета математической модели проверены по представленным в литературе экспериментальным данным для электролизеров с предварительно обожженными анодами (ОА) и с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом (СА,). Адекватность математической модели подтверждена выполнением условия адекватности по критерию Фишера > РтаЫ (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты проверки адекватности математической модели

Тип Сила тока, кА Параметр Среднее значение, у Дисперсия среднего, я22 Остаточная дисперсия, Критерий Фишера, Табл. знач. критерия Фишера,

ОА 157 4,52 5 0,066 0,008 8,02 2,33

СЛ1,0, 4,90% 0,028 0,005 29,44 2,33

^трг 0,05 м 0,01 0,003 3,20 2,70

Т * г!ес1го1и 961,8 °С 1,91 4,69 6,04 3,49

189 ^\vort 4,39 В 0,094 0,013 6,92 1,91

СЛ1,0, 4,91 % 0,03 0,006 5,19 1,91

0,05 м 0,12 0,004 32,96 2,15

т е1есшШ 962,3 °С 13,84 3,43 4,03 2,66

СА, 140 0^ 4,5 6 В 0,047 0,015 3,22 2,77

Су;,о, 6,91% 0,08 0,0028 28,038 2,77

<чг 0,03 м 0,2 0,002 53,98 2,77

Т ‘гкаюШ 961,1 °С 15,09 5,3 2,84 2,77

Таким образом, разработанная математическая модель позволяет определять влияние электрических параметров, характеристик сырья и управляющих воздействий на выходные показатели процесса; позволяет изучать причинно-следственные связи процесса при обучении операторов управлению процессом в различных режимах его функционирования.

В четвертой главе приведено описание интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия, алгоритма ее работы, интерфейсов обучаемого и инструктора. Интегрированная система построена на единой программноаппаратной платформе и общем информационном обеспечении. На рисунке 2 представлена функциональная структура интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия, которая включает информационное обеспечение, функциональные модули и модули для обучения.

Информационное обеспечение включает базу данных параметров ТП, базу знаний по управлению в нештатных ситуациях, а также базу данных пользователей интегрированной системы.

В базе данных административного и производственного персонала хранятся сведения обо всех зарегистрированных пользователях с соответствующими правами доступа: администратор обеспечивает функционирование системы; эксперт занимается ведением и пополнением базы знаний; инструктор организовывает процесс обучения; обучаемые являются основными пользователями системы.

Вся информация о процессе хранится в базе данных параметров ТП, которая представляет собой реляционную базу данных со следующим набором атрибутов: текущее значение, единицы измерения, комментарий, эксплуатационные пороги, тип данных, сетевой адрес. В настоящее время база данных содержит более 360 параметров: системные (время, дата, счетчики и т.п.), параметры технологического процесса и дополнительные параметры (флаги нештатных ситуаций).

База знаний по управлению в нештатных ситуациях разработана на основе экспертных знаний и данных по эксплуатации объекта и содержит сведения о типовых нештатных ситуациях, причинах возникновения и рекомендациях по их устранению. Знания экспертов в базе знаний формализованы с использованием продукционно-фреймовой модели представления знаний - фреймы используются для описания типовой нештатной ситуации, а с помощью продукционных правил осуществляется распознавание и вывод информации о возникновении нештатной ситуации.

На рисунке 3 приведена структура базы данных параметров ТП аналогового типа и базы знаний по управлению в нештатных ситуациях, а также их взаимосвязь друг с другом.

Функциональные модули интегрированной системы: модуль регистрации, модуль настройки режима работы интегрированной системы, динамическая мнемосхема процесса электролиза алюминия, модуль задания параметров электролизера, модуль проверки ограничений и отслеживания нештатных ситуаций, модуль расчета математической модели, модуль расчета значений управляющих воздействий.

Эксперт

-^3 Администратор

Инструктор

Обучаемый

Интерфейс Интерфейс Интерфейс Интерфейс обучаемого (оператора)

эксперта администратора инструктора

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МОДУЛИ

' Модуль РЕГИСТРАЦИИ

Модуль НАСТРОЙКИ интегрированной системы

Динамическая мнемосхема

Задание паспортных параметров электролизера

Модуль проверки ограничений и отслеживания НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЙ

Модуль расчета управляющих воздействий

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

у = <р(х,м,Л

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

БАЗА ДАННЫХ административного и производственного персонала

БАЗА ДАННЫХ параметров ТП

БАЗА ЗНАНИЙ по управлению в нештатных ситуациях

МОДУЛИ для ОБУЧЕНИЯ

НАСТРОЙКА процесса обучения

ИНФОРМАЦИОННЫЙ

СПРАВОЧНИК

МОДУЛЬ

ТЕСТИРОВАНИЯ

ЗНАНИЙ

СЦЕНАРИИ

самостоятельного

обучения

СЦЕНАРИИ,

формируемый

инструктором

САМОСТОЯТЕЛЬНОЕ \ обучение («свободное» обучение) !

СЦЕНАРИИ ОБУЧЕНИЯ

ПРОТОКОЛ ОБУЧЕНИЯ

Модуль ОБМЕНА ХУ СООБЩЕНИЯМИ обучаемый-инструктор

Контроллер (ы)

Исполнительные механизмы

Рисунок 2 - Функциональная структура интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия

Tagname

Group

Type

Priority

Access Name

Comment

► Initial Value Eng Units

* Min Value

* Max Value LoLo

* Low

► High

► HiHi AlarmComrnent LogData

LogEvent__________

БДТП

Комментарий

Наименование параметра Имя группы Тип параметра Приоритет параметра Имя доступа (сетевой адрес) Описание параметра Текущее значение параметра Единицы измерения Минимальное значение параметра Максимальное значение параметра Нижнее аварийное значение Нижнее предазарий.ное значение Верхнее предаварийное значение Верхнее аварийное значение Описание

Отслеживание изменений параметров Отслеживание событий

БАЗА ЗНАНИЙ по управлению в нештатных ситуациях

Нештатные ситуации

Имя поля

Tagname Number Situation Situation Name Number Cause Priority

Комментарий

Наименование параметра «...

Номер нештатной ситуации <---

Наименование нештатной ситуации

Номер причины возникновения нештатной ситуации

Приоритет нештатной ситуации

Причины

Имя поля Комментарий

Number Cause Cause Name Tagname Cause Number Recommendation Номер причины Описание причины Наименование параметра, при возникновении НС Номер рекомендации

Рекомендации

Имя поля Комментарий

Number Recommendation Recommendation Name Tagname Rec. Номер рекомендации Описание рекомендации Рекомендуемый параметры для устранения НС

Рисунок 3 - Информационная структура базы данных параметров ТП и базы знаний по управлению в нештатных ситуациях

Модуль регистрации предназначен для идентификации и разграничения прав доступа пользователей системы.

Модуль настройки режима работы интегрированной системы позволяет осуществлять настройку интерфейсов в соответствии с индивидуальными пожеланиями пользователей (обучаемого или инструктора): количество окон на экране, отображение информации в виде графиков или таблиц, количество отображаемых параметров, цветовой фон.

Динамическая мнемосхема процесса имеет набор вложенных окон и является основным окном автоматизированного рабочего места (АРМ) обучаемого. АРМ обучаемого подобен АРМ оператора, разработан в соответствии с современными требованиями к человеко-машинному интерфейсу и включает элементы управления, расположенные на мнемосхеме, отображение

•Е Г^Н.Г.ВїЧГ.ИЯЙ

Пврвметры процесса

(ииавьзя!

ю Ігз-.И^'Ь-Л’ глі'к'.гУ й*в!*ЄШ*.т_ ¿У

Текущее *ичен... Тип 3.82641______________ ПЗС

кэоднтздия ц »■ •

наинвномнме

Концентрация глжыащ в эп„ концеитрция глиншам в »п. концентрация ИЙЙЙЯ в ?л,

Предел

3.82871

Отображение параметров процесса в графическом виде

Журнал

событий

информации в виде таблиц и графиков, окна материального, электрического и теплового балансов, отображение штатных и нештатных ситуаций, журнал событий (рисунок 4).

Г" Таблицы с параметрами Г Динамическая ") Элементы Настройка элементов отображения "")

процесса ^ мнемосхема \ 1 управления | на АРМ обучаемого ^

Модули для проведения процесса обучения

Сообщение о

нештатной ситуации

Рисунок 4 - Интерфейс АРМ обучаемого

Модуль задания значений паспортных характеристик электролизера (геометрия, мощность, производительность) предназначен для настройки системы на конкретное оборудование. Поскольку система осуществляет расчет параметров в удельных единицах, то задавая параметры конкретного электролизера можно настраивать систему для работы с различными типами электролизеров.

Модуль проверки ограничений и отслеживания нештатных ситуаций служит для распознавания ситуации и выдачи сообщения на АРМ обучаемого о возникновении нештатной ситуации, ее причине и рекомендации по устранению.

Модуль расчета математической модели осуществляет расчет выходных показателей (у) процесса в зависимости от значений входных параметров (х) и управляющих воздействий (//). Модуль расчета управляющих воздействий определяет их значения в штатном режиме функционирования процесса.

Модули обучения предназначены для решения следующих задач: приобретения

теоретических знаний о производстве алюминия, тестирования знаний, обучения по сценариям для приобретения навыков управления.

Модуль настройки процесса обучения позволяет инструктору задавать общее время

обучения, изменять параметры ТП, ускорять темп протекания процесса в соответствии с индивидуальными характеристиками обучаемого, формировать последовательность и время возникновения нештатных ситуаций.

В информационном справочнике представлена информация о технологическом процессе, оборудовании, нештатных ситуациях и способах контроля и управления ТП.

Модуль тестирования знаний использует специальную базу данных, состоящую из тестовых заданий и вариантов ответов, которая открыта для редактирования и пополнения. Модуль предназначен для проведения тестирования по выбранной тематике, в результате чего формируется файл-отчет с результатами обучения - количество верных, неполных и неверных ответов и результирующая оценка.

В интегрированной системе реализовано самостоятельное обучение по сценариям и -обучение по сценарию, заранее сформированному инструктором. Сценарии обучения позволяют воспроизводить определенные состояния на объекте.

Самостоятельное обучение заключается в формировании навыков контроля и управления ТП посредством работы с мнемосхемой. Данный режим обучения основан на изучении причинноследственных связей в штатных ситуациях с целью изучения стандартных процедур управления и работы вблизи нормального технологического режима, а также приобретении навыков работы в нештатных ситуациях. Таким образом, сценарии обучения позволяют вырабатывать навыки по управлению в штатных и нештатных ситуациях. На рисунке 5 представлены примеры сценариев.

яшиииниия^-т-

г обучэние Оижениз уровня ижячинид в ванна .

"1 настройка п*рамзтров обучг-мя ; | й^формвциожьй стреичмя.« *^5 зо-мздзг* »тотролимра Повьшхиэ няфжаййя на в&ме

•?ЬШЬШе»Ч:М8!ЮЮЙ10»ИМ( рвгствв^». ■ ,

Поеш^вурганя «пюмимия а е繫

■;

^ тестирозаииз ^ ^3 Сценаремсбучэния Ни^урота^этжоропюа

Сттравдаь юобщ*»» инструктору

Рисунок 5 - Сценарии самостоятельного обучения Для организации экзаменационного режима сценарии обучения формируются и запускаются инструктором. Результаты обучения фиксируются в протоколе (рисунок 6).

Рисунок 6 - Окно настройки экзаменационного режима обучения и протокол обучения

16

Модуль обмена сообщениями позволяет обучаемому задавать вопросы инструктору, а инструктору отвечать на вопросы и давать советы по необходимым действиям.

При функционировании интегрированной системы вся информация поступает в единую базу данных, затем обрабатывается по математической модели, рассчитываются значения управляющих воздействий для передачи их на объект. Одновременно ведется журнал событий, в котором отображается вся информация о результатах управления процессом получения алюминия. Интеграция подсистем управления и обучения операторов способствует сокращению материальных и временных затрат на обучение и создание учебного центра и позволяет оператору непосредственно на реальном посту управления использовать подсистему обучения для повышения своего профессионального мастерства, приобретения навыков поведения и необходимых умений при возникновении опасных ситуаций на производстве.

Таким образом, интегрированная система обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия включает АРМ обучаемых и инструктора, сценарии и протокол обучения, автоматизированное тестирование, контроль и оценку знаний. Особенностью интегрированной системы является возможность использования в процессе обучения данных с объекта управления, постоянно обновляемых в единой базе данных, что позволяет воспроизводить реальные технологические ситуации. Интегрированная система позволяет проводить обучение операторов «с нуля», а опытному персоналу повышать свою квалификацию.

В рамках данной работы реализовано программное обеспечение всех вышеописанных модулей с использованием нового программного пакета Wonderware Development Studio в SCADA-системе InTouch, Visual Studio 2008, HelpManual, SolidWorks.

ВЫВОДЫ

1. Проведен обзор систем управления и систем обучения для подготовки производственного персонала, используемых на предприятиях алюминиевой отрасли. Проанализированы современные системы компьютерного обучения, приведена их классификация, на основании чего определены основные требования и обоснован набор компонентов, составляющих интегрированную систему обучения операторов.

2. Рассмотрены стадии производства алюминия, исследован процесс получения алюминия ' электролизом криолит-глиноземного расплава, рассмотрены конструкции электролизных ванн,

определены основные требования к качеству используемого сырья и к качеству получаемого алюминия, на основании чего разработано формализованное описание процесса получения алюминия как объекта изучения и управления, необходимое для разработки информационного обеспечения и математической модели.

3. Разработано единое информационное обеспечение интегрированной системы, включающее базу данных параметров процесса электролиза и базу знаний по управлению в

нештатных ситуациях, в которой систематизированы основные нештатные ситуации, связанные с нарушением нормального режима работы.

4. Синтезирована математическая модель стадии электролиза получения алюминия, описывающая влияние электрических характеристик (сила тока, мощность) и управляющих воздействий (расход глинозема, межполюсное расстояние) на выходные показатели процесса (концентрацию глинозема в электролите, количество алюминия в электролизере, количество и температуру электролита, производительность), позволяющая изучать причинно-следственные связи процесса при обучении операторов управлению процессом в различных режимах его функционирования. Программно реализован алгоритм решения математической модели. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных подтвердило адекватность модели с использованием критерия Фишера.

5. Разработана функциональная структура интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия, построенная на единой программно-аппаратной платформе и информационном обеспечении, включающая автоматизированные рабочие места обучаемых (операторов) и инструктора, функциональные модули и модули для обучения.

6. Разработаны и программно реализованы алгоритм поиска и распознавания нештатных ситуаций на объекте и алгоритм расчета управляющих воздействий.

7. Разработаны сценарии, предназначенные для самостоятельного обучения, а также сценарии, которые будут формироваться и запускаться инструктором.

8. Разработано программное обеспечение интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза, позволяющее обучаемым получать знания об особенностях процесса, изучать устройство электролизеров по трехмерным моделям, проводить тестирование знаний и приобретать навыки эффективного управления процессом электролиза алюминия. Система обучения может функционировать автономно или в рамках единого информационного пространства при интеграции её в АСУТП предприятия. Внедрение интегрированной системы обучения обеспечит повышение безопасности и эффективности производства алюминия за счет повышения квалификации персонала, принимающего решения по управлению.

9. Результаты тестирования интегрированной системы подтвердили ее работоспособность и возможность использования для обучения операторов и приобретения навыков управления, что подтверждено соответствующим свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ и четырьмя актами о внедрении в учебный процесс и опытно-промышленную эксплуатацию производства алюминия.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Самарина А.М., Ершова О.В. Архитектура программного обучающего комплекса для производственного персонала алюминиевой отрасли // Автоматизация в промышленности. - 2008.

- № 7. - С. 54-57.

Samarina A.M., Ershova O.V. Architecture of a Software Training Complex for Aluminum Industry Personnal // Automation and Remote Control (Automatika i Telemekhanika). - 2010. -Vol.71. -№8.-pp. 1711-1717.

2. Самарина A.M., Ершова О.В. Интегрированная система управления и обучения операторов электрохимического производства алюминия // Промышленные АСУ и контроллеры. -2011. - № 4. - С. 20-26.

3. Самарина А.М., Ершова О.В. Компьютерное тестирование знаний при обучении операторов управлению электролизерами производства алюминия // Промышленные АСУ и контроллеры.-2012. -№ 1. - С. 7-13.

4. Автоматизированная система обучения операторов производства алюминия (CAS_EdicAl). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Per. номер 2007613433. /Т.Б. Чистякова, О.В. Ершова, А.М. Самарина//Офиц. бюллетень федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем». - М.:ФИПС, 2007. -№4(61).-С. 139.

5. Самарина А.М., Ершова О.В., Чистякова Т.Б. Система компьютерного обучения студентов и производственного персонала для предприятий алюминиевой отрасли [Электронный ресурс] / Научная конференция «Автоматизация в промышленности». Институт проблем управления РАН, 3-6 апреля 2007г.- М., 2007. -1 CD-ROM. - Загл. с этикетки диска.

6. Самарина А.М., Ершова О.В. Автоматизированная система обучения операторов в стадии электролиза производства алюминия // Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-20: Сб. тр. XX Междунар. науч. конф., 28 мая -1 июня 2007г. - Ярославль, 2007. - Т.6. - С. 291-293.

7. Ершова О.В., Самарина А.М. Постановка задачи оптимального управления стадией электролиза в производстве алюминия [Электронный ресурс] / 2-ая науч. конф. «Автоматизация в промышленности». Институт проблем управления РАН, 14-18 апреля 2008г. - М, 2008. - 1 CD' ROM. - Загл. с этикетки диска.

8. Ершова О.В., Самарина А.М., Сопыгин А.И. Обучающий программный комплекс для процесса электролиза производства алюминия в операционной системе реального времени QNX Neutrino 6 // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21 : Сб. тр. XXI Междунар. науч. конф., 27-30 мая 2008г. - Саратов, 2008. - Т.9. - С.210-211.

9. Ершова О.В., Самарина А.М. Автоматизированный контроль уровня знаний оперативнотехнологического персонала производства алюминия // Электротермия-2008: Труды

Всероссийской НТК с междунар. участием, 3-5 июня 2008г. - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2008. -С. 188-193.

10. Нестеров В.Н., Самарина А.М., Ершова О.В. Программный комплекс для проектирования электротермических и электрохимических установок // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22: Сб. тр. XXII Междунар. науч. конф., 25-30 мая 2009г. - Псков, 2009. - С.38-40.

11. Ершова О.В., Самарина А.М., Чистякова Т.Б. Синтез тренажерных комплексов производственного персонала в программном пакете Wonderware Development Studio [Электронный ресурс] / 33-ий Международный семинар «Автоматизация. Программнотехнические средства. Системы. Применения». Институт проблем управления РАН, 1-5 июня 2009г.- М., 2009. - 1 CD-ROM. - Загл. с этикетки диска.

12. Ершова О.В., Самарина А,М. Подготовка производственного персонала алюминиевой

отрасли с помощью компьютерных тренажерных комплексов // Математическое моделирование и информационные технологии: Сб, тезисов Междунар. науч. конф. «Математическое

моделирование и информационные технологии», приложение к журналу «Холодильная техника и технологии», 20-22 октября 2009г. - Одесса, 2009. - С. 32-33.

13. Ершова О.В., Самарина А.М. Математическая модель для системы обучения операторов управлению электролизером производства алюминия // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23: Сб. тр. XXIII Междунар. науч. конф., 24-29 мая 2010г. -Смоленск, 2010.-Т.12.-С. 185-187.

14. Ершова О.В., Самарина А.М. Автоматизированное обучение операторов управлению электрохимическими установками производства алюминия [Электронный ресурс] У Труды междунар. науч.-практ. конф. «Передовые информационные технологии, средства и их внедрение на российских предприятиях» AITA-2011. Институт проблем управления РАН, 4-8 апреля 2011г. — М., 2011. -1 CD-ROM. - Загл. с этикетки диска.

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60x90Vi6 Печ.л. 1,25 .Тираж экз. 70. Зак. № 16

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 Типография издательства СПбГТИ(ТУ), тел. 49-49-365, e-mail: publ@teclmolog.edu.ru

61 12-5/2019

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)»

На правах рукописи

Самарина Анастасия Михайловна

ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБУЧЕНИЯ ОПЕРАТОРОВ УПРАВЛЕНИЮ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИЗА В ПРОИЗВОДСТВЕ АЛЮМИНИЯ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата, технических наук

Научный руководитель: канд. техн. наук, доцент Ершова Ольга Владимировна

Санкт-Петербург ■ 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................6

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ И ОБУЧАЮЩИЕ СИСТЕМЫ ПРЕДПРИЯТИЙ АЛЮМИНИЕВОЙ ОТРАСЛИ..............:............................................................................ 11

1.1 Современное состояние мирового рынка алюминия..............................................11

1.2 Обзор автоматизированных систем управления на предприятиях алюминиевой отрасли..................................................................................................................................14

1.3 Обзор автоматизированных систем обучения для алюминиевых производств... 20

1.4 Классификация компьютерных систем обучения...................................................24

Выводы к главе 1..................................................................................................................29

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ..........................................................................30

2.1 Электролитический способ получения алюминия..................................................30

2.1.1 Основы электролиза криолит-глиноземных расплавов........................................30

2.1.2 Требования к качеству сырья..................................................................................33

2.1.3 Требования к качеству алюминия...........................................................................35

2.1.4 Общая характеристика электролизеров и их классификация..............................36

2.2 Электролизный цех алюминиевых заводов..............................................................38

2.3 Автоматизация процесса получения алюминия......................................................41

2.4 Влияние различных факторов на эффективность процесса...................................47

2.5 Формализованное описание процесса электролиза как объекта изучения и управления. Постановка задач управления и обучения производственного персонала.... 49

Выводы к главе 2..................................................................................................................54

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИЗА................55

3.1 Структура математической модели...........................................................................55

3.2 Материальный баланс.................................................................................................57

3.3 Энергетический баланс...............................................................................................60

3.4 Электрический баланс................................................................................................66

3.5 Алгоритм решения математической модели............................................................72

3.6 Проверка адекватности математической модели....................................................78

Выводы к главе 3................................................................................................................. 84

ГЛАВА 4. ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБУЧЕНИЯ ОПЕРАТОРОВ УПРАВЛЕНИЮ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИЗА В ПРОИЗВОДСТВЕ

АЛЮМИНИЯ.......................................................................................................................85

4Л Понятие интегрированной системы. Среда разработки. Сетевая структура интегрированной системы .................................................................................................85

4.2 Функциональная структура интегрированной системы.........................................89

4.3 Информационное обеспечение интегрированной системы....................................98

4.4 АРМ обучаемого....................................................................................................... 102

4.5 Характеристика интегрированной системы обучения..........................................104

4.5.1 Структура системы обучения и описание ее компонентов................................104

4.5.2 Информационный справочник..............................................................................110

4.5.3 Трехмерная модель электролизной ванны...........................................................111

4.5.4 Тестирование знаний производственного персонала..........................................112

4.5.5 Режим самостоятельного обучения.......................................................................116

4.5.6 АРМ инструктора....................................................................................................117

4.5.7 Сценарии и протокол обучения.............................................................................118

4.6 Тестирование интегрированной системы...............................................................123

4.8 Характеристика программного обеспечения.........................................................127

Выводы к главе 4................................................................................................................128

ВЫВОДЫ............................................................................................................................130

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................................132

Приложение А. Сравнительная характеристика современных SCADA-систем.........143

Приложение Б. Характеристика SCADA-системы InTouch..........................................149

Приложение В. Описание возможных нештатных ситуаций технологического

процесса получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава........153

Приложение Г. Свидетельство о регистрации программного обеспечения................156

Приложение Д. Акты о внедрении...................................................................................157

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Зешгош ~ площадь поверхности теплопередачи от зоны плавления к электролиту, м2;

hAl - высота слоя жидкого алюминия, м;

Kiectrom - высота слоя электролита, м;

СА1Л - концентрация глинозема в электролите, мас.доли;

mAh0i - масса глинозема, кг;

те1есши ~ масса электролита, кг;

тА1 - масса расплава алюминия в ванне, кг;

Sm2oз - удельный расход глинозема, кг/кгА1;

8anode " удельный расход анодов с учетом механических потерь, кг/кгдь gfluonde - удельный расход фтористых солей, кг/кгАь § anode joss " механические потери анодов, в том числе с пеной, кг/кгА1; GAUJh - расход глинозема, кг/с;

Ganode - расход анодной массы (обожженных анодов), кг/с;

G.fluoride - расход фторидов (криолита), кг/с;

Gco - расход окиси углерода, кг/с;

GCOi - расход углекислого газа, кг/с;

Gc - расход углерода, кг/с;

Gс jo** ~ механические потери углерода, кг/с;

Ghydrocarbon - расход углеводорода и летучих соединений, кг/с;

Pscne, - мощность электролизной серии, Вт;

Iseries - сила тока электролизной серии, А;

I - сила тока на электролизере, А;

Кшгош ' сопротивление электролита, Ом;

Uwork - рабочее напряжение, В;

иmiddle ' среднее напряжение, В;

U„ат, - греющее напряжение, В;

Uelectron " напряжение на электродах, В; U - напряжение межполюсного расстояния, В;

Е - напряжение поляризации, В;

AUdrop - суммарное падение напряжения, В;

AUam)de - падение напряжения в аноде, В;

сам? - падение напряжения в катодном устройстве, В;

AUelcklmln - падение напряжения в электролите, В;

AUy,ire - падение напряжения в ошиновке, В;

AUwire_all - падение напряжения в общесерийной ошиновке, В;

AUmode_effekt - падение напряжения за счет анодных эффектов, В;

AUспа1 - падение напряжения в угольной части, В;

LPr - межполюсное расстояние, м;

Рексит ~ удельное сопротивление электролита, Ом-м.

janode - анодная плотность тока, А/м2;

Q - количество тепла в электролизере, включая теплоту плавления электролита, Дж; Тмл - температура глинозема на корке, °С; Треста! ~ температура электролита, °С; ^Smdt - температура в зоне плавления, °С; Т0 - температура окружающей среды, °С;

х - вектор входных параметров процесса; jli - вектор управляющих воздействий; / - вектор возмущающих воздействий; у - вектор выходных параметров процесса.

ВВЕДЕНИЕ

Анализ современного состояния предприятий химической, в том числе алюминиевой отрасли, показывает, что более 60% неблагоприятных производственных ситуаций приходится на «человеческий фактор». В связи с ужесточением требований к безопасности и увеличением сложности технологических процессов (ТП) растет интерес к внедрению современных систем обучения и переподготовки квалифицированного персонала. Причины использования компьютерных систем обучения и тренажерных комплексов заключаются в качественно иных возможностях, предоставляемых современными информационными технологиями, на базе которых они разрабатываются. Разнообразие и сложность ТП делают такие системы достаточно дорогими средствами обучения оперативно-технического персонала, в том числе на предприятиях алюминиевой промышленности, в которой количество систем для подготовки персонала невелико. С учетом того, что в настоящее время наибольший интерес представляют собой системы обучения, интегрируемые в проектируемые или функционирующие автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), очевидна потребность в разработке интегрированной системы для подготовки оперативно-технического персонала в производстве алюминия.

Для разработки интегрированной системы были изучены известные работы в области автоматизированных систем обучения и компьютерных тренажеров для подготовки производственного персонала таких авторитетных ученых как В.М. Дозорцев, Т.Б. Чистякова, Э.Л. Ицкович, B.C. Балакирев, С.И. Магид; в области математического моделирования и систем управления процессом получения алюминия - работы М.Я. Фитермана, Р.Г. Локшина, М.Я. Минциса, А.И. Беляева, Т.В. Пискажовой и других, в которых отмечена необходимость обучения производственного персонала с помощью современных программных средств.

Таким образом, разработка интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия является актуальной задачей инновационного развития, имеющей научную и практическую ценность. Существенное значение в повышении качества управления электролизерами производства алюминия имеет интеграция системы обучения и АСУТП, используемой на предприятии, поскольку обучаемый будет приобретать профессиональные умения и навыки управления с помощью приближенных к

промышленным интерфейсов операторов, на которых он впоследствии будет работать. Опытный персонал в отсутствии нештатных ситуаций имеет возможность повышать свою квалификацию путем изучения причинно-следственных связей и закрепления навыков управления в различных режимах функционирования процесса электролиза производства алюминия.

Целью диссертационной работы является разработка интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия, предназначенной для подготовки и повышения квалификации производственного персонала, принимающего решения по управлению, и функционирующей автономно или в рамках единого информационного пространства предприятия.

Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести обзор современных систем компьютерного обучения, а также систем управления и систем обучения для подготовки квалифицированных специалистов, используемых на предприятиях алюминиевой отрасли, определить основные требования к разрабатываемой системе, обосновать перечень составляющих её компонентов;

- изучить процесс получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава, определить особенности процесса как объекта исследования и управления, составить его формализованное описание. Разработать информационное обеспечение, включающее в себя базу данных параметров технологического процесса и базу знаний, в которой систематизированы типовые нештатные ситуации, описывающие нарушения регламентного режима;

- разработать функциональную структуру интегрированной системы обучения операторов;

- разработать математическое обеспечение системы, включающее математическую модель процесса получения алюминия, алгоритмы решения уравнений математической модели и поиска значений управляющих воздействий. На основании экспериментальных данных провести проверку адекватности модели;

- для повышения эффективности обучения разработать информационный справочник, трехмерные модели электролизеров, модуль тестирования знаний обучаемого;

- разработать программное обеспечение интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия, позволяющее на базе приближенных к промышленным интерфейсов обучаемого проводить подготовку и повышение квалификации производственного персонала;

-провести тестирование и внедрение интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза производства алюминия.

При выполнении диссертационной работы использовались методы системного анализа, математического моделирования, численного решения систем дифференциальных уравнений, проектирования баз данных, обработки экспериментальных данных, объектно-ориентированного программирования.

Результаты работы изложены в четырех главах.

В первой главе диссертационной работы представлены результаты анализа автоматизированных систем управления технологическим процессом, используемые в алюминиевой отрасли, а также проведен обзор современных компьютерных систем обучения в рассматриваемой отрасли.

Во второй главе на основе анализа процесса получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава как объекта изучения и управления разработано формализованное описание процесса, сформулированы задачи управления в штатных и нештатных ситуациях, а также задача обучения производственного персонала эффективному и безопасному управлению технологическим процессом.

В третьей главе диссертационной работы представлено математическое обеспечение процесса получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава, приведены алгоритм решения уравнений математической модели, выполнена проверка адекватности.

В четвертой главе представлено описание интегрированной системы обучения операторов: автоматизированные рабочие места производственного персонала различных категорий, информационное обеспечение, функциональные модули интегрированной системы, а также модули для обучения персонала.

Основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:

- синтезирована математическая модель электролитического процесса получения алюминия, описывающая влияние электрических характеристик и

управляющих воздействий на выходные показатели процесса и позволяющая изучать причинно-следственные связи процесса и проводить исследования процесса;

- разработана функциональная структура интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза в производстве алюминия, включающая функциональные модули, модули для обучения и интегрированное с АСУТП информационное обеспечение;

- разработаны сценарии обучения для приобретения навыков управления процессом электролиза производства алюминия в штатных и нештатных ситуациях в режиме самостоятельного обучения и под руководством инструктора;

- разработано алгоритмическое и программное обеспечение интегрированной системы обучения операторов управлению процессом электролиза, позволяющее обучаемым получать знания об особенностях управления процессом, изучать устройство электролизеров по трехмерным моделям, проводить тестирование знаний и приобретать навыки эффективного управления процессом электролиза производства алюминия.

Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и научно-технических конференциях: международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ (ММТТ-20, г. Ярославль, 2007г.; ММТТ-21, г.Саратов, 2008 г.; ММТТ-22, г.Псков, 2009г.; ММТТ-23, г.Смоленск, 2010г.); научных конференциях «Автоматизация в промышленности» Института проблем управления РАН, г. Москва, 2007 г., 2008 г.; всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Электротермия-2008», г. Санкт-Петербург, 2008 г.; 33-й международный семинар «Автоматизация. Программно-технические средства. Системы. Применения» Института проблем управления РАН, г. Москва, 2009 г.; международной научной конференции «Математическое моделирование и информационные технологии», г. Одесса, 2009 г.; международной научно-практической конференции «Передовые информационные технологии, средства и их внедрение на российских предприятиях» А1ТА-2011, г. Москва, 2011 г.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в четырнадцати научных работах, в том числе получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ в Российском агентстве по патентам и товарным знакам; 3

статьи опубликованы в журналах из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ, одна из которых переведена на английский язык и опубликована в журнале «Automation and Remote Control».

Эффективность проведенных исследований подтверждена актом о внедрении разработанной интегрированной системы обучения операторов в опытно-промышленную эксплуатацию ОАО «СУАЛ» филиал «ВАЗ СУАЛ». Результаты работы внедрены в учебный и научно-исследовательский процессы Санкт-Петербургского государственного технологического института (технический университет) кафедры систем автоматизированного проектирования и управ�