автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка алгоритмов управления многостадийным процессом производства листового стекла

На правах рукописи УДК 62-50:666.1

Васильев Артем Вячеславович

Исследование и разработка алгоритмов управления многостадийным процессом производства листового стекла

Специальность 05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2006

Работа выполнена во Владимирском государственном университете Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Защита диссертации состоится « » 21)1)0 г.

в часов на заседании диссертационного совета Д.212.025.01 Владимирского государственного университета по адресу: 600000, Владимир, ул. Горького, 87, ауд.211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан « /V » ¿¿¿Ои^_2006 г.

доктор технических наук, профессор Макаров Руслан Ильич

доктор технических наук, профессор Денисенко Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор Дубов Илья Ройдович

ОАО «Борский стекольный завод»

// л . ? )л ,1 ЛЛЛГ

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор >

Р.И. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время задача автоматизации и внедрения вычислительной техники в управление технологическими процессами имеет большое значение. Предприятия активно пользуются услугами 1Т-компаний для внедрения информационных систем, улучшающих технико-экономические показатели производства — повышение качества и рост объема выпуска продукции, увеличение процента выпуска годных изделий, минимизация производственных затрат и др. В основе информационных систем управления технологическими процессами, как правило, лежат математические модели, описывающие показатели работы производства.

Задача системы управления качеством производственного объединения «Полированное стекло» ОАО «Борский стекольный завод» заключается в обеспечении удовлетворенности потребителей за счет постоянного улучшения качества вырабатываемого стекла, чтобы всегда быть одними из первых в конкурентной борьбе на рынке.

Важнейшей задачей производства является постоянное повышение эффективности технологических процессов на основе анализа данных и выработке соответствующих корректирующих действий. Своевременная разработка новых математических моделей технологических процессов, коррекция уже существующих, а также имитационное моделирование работы технологических линий — естественное развитие системы менеджмента качества промышленного предприятия.

Предмет и объекты диссертационного исследования

Объектом исследования являются технологические линии производства листового стекла производственного объединения «Полированное стекло» ОЛО «Борский стекольный завод».

Цель работы - повышение качества вырабатываемого листового стекла за счет выработки рациональных решений по коррекции режима работы технологических линий на основе процессного подхода с использованием статистических методов контроля и управления, а также имитационного моделирования процесса варки-выработки стекла. Работа выполнена в рамках научных исследований процесса производства листового стекла под руководством профессора Макарова Р.И. И представляет собой дальнейшее развитие системы поддержки принятия решений. В отличие от ранее выполненных работ, в которых были поставлены и решены задачи управления отдельным технологическим агрегатом, в представленной работе предпринята попытка решить задачу управления технологическим процессом варки-выработки листового стекла в целом.

Методы исследования

Эффективность алгоритмов управления оценивалась методом имитационного моделирования с использованием реальных данных, собранных с технологических линий. Это позволило сравнить результаты ведения процесса варки-выработки «вручную», с потенциально возможным улучшением качества вырабатываемого стекла при автоматическом управлении технологическим процессом. Так же стало возможным сравнить управление тепловым режимом печи по температуре газовой среды и температуре стекломассы в зоне варки при одинаковых условиях.

Научную новизну работы определяют:

1. Разработка математических моделей стадий технологического процесса производства листового стекла.

2. Обоснование и выбор критерия управления технологическим процессом производства листового стекла.

3. Разработка алгоритма управления технологическим процессом производства листового стекла.

Практическая ценность

Разработка математического и программного обеспечения подсистемы поддержки принятия решений «Технолог стекольного производства» и внедрение ее в ПО «Полированное стекло» ОЛО «Борский стекольный завод».

Использование методики имитационного моделирования в учебном процессе кафедры ИСИМ ВлГУ при подготовке студентов и магистров.

Ни защиту выносятся:

]. Алгоритмы выработки управляющих воздействий по коррекции режима работы технологического оборудования линии производства стекла (ЛПС), позволяющие повысить качество вырабатываемого стекла

2. Критерий качества управления многостадийным процессом производства листового стекла

3. Математическая модель технологического процесса стекловарения в ванной регенеративной печи большой производительности.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 7 публикациях, в их числе 6 статей. Апробация работы проводилась на конференциях (в т.ч. и международных (ММТТ-18, Казань; «Вузовская наука — региону»,

Вологда; «Социально-экономические системы и процессы: методы изучения и проблемы развития», Владимир)) и семинарах.

Объем и структура диссертации

Диссертация изложена на 140 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Список литературы содержит 60 наименований. Таблиц 47, рисунков 37.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы. Сформулированы цели и определены решаемые в диссертации научные задачи.

В первой главе рассматривается технологический процесс производства листового стекла флоат-способом и принципы построения систем управления качеством. Ставится задача управления качеством производства листового стекла флоат-способом. Анализируются показатели качества и требования предъявляемые к качеству листового стекла.

Производство листового стекла характеризуется непрерывностью технологии, начиная от поступления сырья и заканчивая выпуском готовой продукции, а также взаимной обусловленностью процессов, протекающих в смежных цехах и на отдельных участках. По масштабу выпускаемой продукции стекольное производство относится к числу крупнотоннажных производств. Суточная выработка стекла на флоат-линии достигает 600 и более тонн.

Технологический процесс производства листового стекла флоат-способом (рис. 1.1.) включает в себя подготовку шихты и возвратного

стеклобоя, варку стекломассы, формование ленты стекла, отжиг, а также резку и раскрой стекла на форматы.

Качество вырабатываемого стекла и экономические показатели производства во многом определяются ритмичной работой цехов. Особенностью изучаемого технологического процесса является невозможность контроля процессов, протекающих в каждой отдельной стадии из-за фазовых превращений стекла в процессе его варки и формования на расплаве олова. Свойство стекла и содержащиеся в нем пороки выявляются в процессе контроля на входе цеха холодного стекла. Это накладывает особые требования на алгоритмы контроля и управления режимом работы технологического оборудования.

Решение задачи управления усложняется также из-за существенной разницы инерционности объектов управления. Инерционность стекловаренных печей по каналам управления и возмущений по составу шихты достигает 5-и суток, а флоат-ванны и печи отжига не превышает десятков минут, что позволяет рассматривать их как безынерционные объекты управления.

Основным критерием для оценки работы производства является прибыль, получаемая на временном интервале управления. При имеющемся портфеле заказов на листовое стекло в качестве критерия управления производством стекла может выбираться цеховая себестоимость стекла, которая функционально связана с прибылью.

При заданном значении производительности задача управления технологическим процессом производства листового стекла сводится к задаче управления с автономными критериями. Производительность технологической линии определяется в результате решения задачи календарного планирования производства. В задаче управления технологическим процессом производительность представляет собой

задаваемый (директивный) параметр и не входит в число переменных, по которым должно приниматься решение в процессе управления.

С учетом сказанного задача управления формулируется как минимизация расхода газа в технологическом процессе производства при выполнении плана (задания) выработки стекла в требуемом ассортименте. Требования к свойствам и качеству вырабатываемого стекла задаются в виде ограничений на механические и оптические свойства стекла и допустимое содержание пороков в листовом стекле. Учитываются также ограничения, накладываемые на режим ведения технологического процесса.

Случайный характер изменения переменных процесса и показателей качества вырабатываемого стекла, многомерная зависимость свойств и пороков стекла от режимов работы оборудования, качества подготовки шихты и значительная инерционность процесса стекловарения обосновывают целесообразность использования статистических методов анализа и имитационного моделирования для выработки решений но коррекции режима работы оборудования.

Моделирование помогает уменьшить фактор неопределенности, избежать некоторых ошибок при выработке корректирующих действий технологами цехов и улучшить качество вырабатываемой продукции.

Во второй главе приводится статистический анализ работы технологической линии, решается задача выбора представительных импульсов. Разработана модель управления стекловаренной печью по температуре газовой среды. Проводится сравнение моделей управления стекловаренной печью по температуре газовой среды с моделями управления по температуре стекломассы. В этой главе также исследуется точность моделей флоат-ванны и лера.

Схема производства стекла флоат-способом

Подготовка шихты

Компоненты шнхты . ■

с~==р.

I -г ' Стекловаренная;

'""п Гг' печь 2

Стекловаренная , \, вечь V

Р ' *

Боб с цехов промышленной переработки стекла ,

. V Флоат-ваназ2

Флоаг-еаяна, ? - <

Печь отжига

2 '""','^ : • Резные столы 2 ■ ¿фг

Склаа

: Печь отжига !!

Резные столы I Л-

Возвратный стеклобой

Рис. 1.1. Схема тех пол огичеркого процесса производства листового стекла флоат-способом

В связи с тем, что в процессе холодного ремонта технологической линии в конструкцию стекловаренной печи были внесены изменения, то возникла необходимость корректировки структуры и параметров ранее разработанных математических моделей. С использованием статистических данных о работе технологической линии ЛПС-1 в период с августа 2002 по январь месяц 2006 года разрабатывались адаптивные модели, описывающие зависимость показателей качества стекла от режима варки:

Пл(1)= МЬ,* ©„(1-6)+ Ь2* ©8(М)+ Ь3*Сне2оз(1-3)+Ь4*Схк)2(1-2) где <Э6, ©8 — температура газовой среды по показаниям термопар в зоне варки печи, в градусах; Сщог - процентное содержание окиси кремния в шихте; С^зоэ - процентное содержание окиси железа в стекле; г - текущее время в сутках; Ь»-Ь4 - уточняемые параметры модели.

Точность описания моделью плотности вырабатываемого стекла характеризуется величиной дисперсии погрешности 6,2*10'7 (г/см3)2, при систематической ошибке -0,0002 г/см3.

36(1)- 2,,+г,* ©б(0+г2* ©8(1-10)+г3*5(1-3)+24*Рпи(0 где ©л, ©8 — температура газовой среды по показаниям термопар в зоне варки печи, в градусах; Рш, — мощность повторного нагрева в флоат-ванне, в кВт; 5 - толщина ленты стекла, в мм; т,)-74 - уточняемые параметры модели.

Точность описания моделью оптических дефектов в вырабатываемом стекле характеризуется величиной дисперсии погрешности 19,8 (угл. гр.)2, при систематической ошибке -0,5 угл. гр.

0,(0 = Ео(1)+е1(1)*С(1)+82(1)*5(0+Вз(Х)*Я(1)+ё4(1)*©6(1) где ©6 — температура газовой среды по показаниям термопар в зоне варки печи, в градусах; О - производительность линии, тонн в смену; Я — число

Редокса; 5 - толщина ленты стекла, в мм; §0 - g4 — уточняемые параметры модели.

Точность описания моделью расхода газа на стекловарение характеризуется величиной дисперсии погрешности 0,03 (м3/кг)2, при систематической ошибке 0,1 м3.

Полученные линейные регрессионные уравнения с постоянными параметрами не обеспечивают требуемую точность описания процесса стекловарения, что объясняется не стационарностью показателей качества варки стекла во времени.

Для повышения точности описания уточнялись параметры моделей в процессе их эксплуатации с помощью алгоритма адаптации, что предусмотрено в программном комплексе «Технолог стекольного производства».

В третьей главе предложен алгоритм управления технологическим процессом производства листового стекла по единому критерию, полученному сверткой компонент вектора критерия качества стекла. Проведено имитационное моделирование предложенных алгоритмов.

Межгосударственный стандарт ГОСТ 111-2001 «Стекло листовое. Технические условия» в соответствии с оптическими искажениями, видам и количеству пороков устанавливает восемь марок стекла от МО до М7. Самые высокие требования предъявляются к стеклу марки МО: не допускается искажение полос экрана «зебра» под углами менее 50 градусов, отклонения показателей отраженного растра не более 3 мм, пороки размером более 0,5 мм на листе стекла площадью до 5 кв.м не допустимы.

Во время проведения имитационного моделирования предложенного алгоритма возникли трудности связанные с большой размерностью вектора критерия качества стекла и как следствие этого возникновение

противоречий между оптимизируемыми величинами при управлении. Поэтому приобрела актуальность задача разработки определённой процедуры свёртывания информации, направленная на преодоление проблемы размерности. Построение обобщенного параметра оптимизации связано с созданием единого признака, количественно определяющего функционирование исследуемого объекта со многими выходными параметрами. Из многих откликов (здесь и далее под откликами будем понимать выходные параметры объекта управления), характеризующих объект, часто трудно выбрать один, наиболее важный и более полно описывающий технологический процесс. Чаще всего приходиться множество откликов обобщать (сворачивать) в единый количественный признак.

На этапе обобщения сложность представляет то, что каждый отклик имеет свой физический смысл и свою размерность. Чтобы объединить различные отклики для каждого из них была введена безразмерная шкала. Шкалы выбраны одинаковыми для всех объединяемых откликов — это сделало их сравнимыми.

После построения безразмерных шкал были выбраны правила комбинирования исходных частных откликов в обобщенный показатель.

Для построения обобщенного отклика была использована функция Желательности Харрингтона. В основе построения этой обобщенной функции лежит идея преобразования натуральных значений частных откликов в безразмерную шкалу желательности или предпочтительности.

После выбора шкалы желательности и преобразования частных откликов в частные функции желательности, был построен обобщенный показатель Б, названный Харрингтоном обобщенной функцией желательности. Переход от с1„ к О осуществлен по формуле

^ к , где — частные функции желательности.

Здесь Ьбобщениая функция желательности задается как среднее геометрическое частных желательностей. Важным свойством такого обобщения является, что если хотя бы один из откликов будет выходить за пределы допустимых значений, то итоговая оценка качества продукции становится неудовлетворительной (например, марка стекла высшей категории понижается, если хотя бы один оптический показатель не удовлетворяет стандарту для стекла марки МО). Данный критерий использован при построении системы поддержки принятия решений ОАО «Борский стекольный завод» в производственном объединении «Полированное стекло». Для анализа качества выдаваемых системой поддержки принятия решений управленческих советов был разработан единый критерий качества, что позволило на стадии исследования абстрагироваться от множества технологических параметров- стекла (оптические искажения по методу «Зебра», разнотолщинность, оптические искажения по методу «Растр» и др.). Проведенные исследования показали целесообразность использования описанной методики в задачах управления качеством листового стекла.

Для решения задачи управления технологическим процессом производства стекла были использованы адаптивные алгоритмы управления. В качестве метода решения был выбран метод штрафных функций.

Выбираемое решение оценивается совокупностью критериев (1), которые различаются относительной важностью.

Б = (С>г, АПл, П, Св, 36, Ра, Рт, Кр, Бл, о) ,

(1)

где (2Г -расход газа на стекловарение (м'/час), ДПл - изменение плотности вырабатываемого стекла в течение суток, (г/см3)/сут; П — варочные пузыри (дефекты класса 1 и 2), шт на 10 м2; Св - свильность стекла, оцениваемая по образцам; 36 - волнистость стекла, измеряемая по методу "Зебра", угл. градусы; Ра - отклонения показателя отраженного растра, мм; Рт -разнотолщшшость стекла, мм; Кр - кривизна (отклонение от плоскостности), мм; Бл - блюм-эффект, г/м2.; о - остаточные напряжения в ленте стекла, нм/см.

Каждый локальный критерий характеризует некоторую; локальную цель принимаемых решений. Оптимальное решение ищется в области компромиссов. Выбор схемы компромисса не формализован. В работе использован принцип выделения одного оптимизируемого критерия. Оптимизируемым критерием выбран расход газа на стекловарение (2Г, минимизация которого при заданном плане выработки стекла отвечает задаче получения наибольшей прибыли производства. На другие критерии (ДПл, П, Св, 36, Ра, Рт, К, Бл, о) накладываются ограничения, выполнение которых должно обеспечить выработку стекла высокого качества марок МО и М1.

Принятие решения по коррекции режима варки-выработки (управление) проводится по входу объекта управления. Из-за различной инерционности каналов управления по режимным переменным значение плотности вырабатываемого стекла устанавливается через 5 суток после воздействия, а оптические искажения, параметры стекла, дефекты - в течение текущего шага управления (сутки). Отсутствие сильной корреляционной связи между выходными переменными (Пл, П, Св, 36, Ра, Рт, К, Бл, о) позволяет совместить решение задач планирования плотности вырабатываемого стекла с прогнозированием ее на нёсколько суток вперед

с задачей управления оптическими свойствами и пороками в стекле в течение текущего шага принятия решений.

Показатели качества стекла описываются линейными регрессионными уравнениями, в которых в качестве управляющих воздействий выбраны расход газа на стекловаренную печь Qr, температура газовой среды в печи по показаниям сводовых термопар 0ГС2, ©„(-„ 0,С8 по оси 2, 6 и 8 пар горелок, температура олова в пролетах флоат-ванны 0|2цР> ©гопр. температура ленты стекла на выходе флоат-ванны 0ВЫХ ; 9вк — температура стекла на входе флоат-ванны, °С скорость первой бортоформующей машины У16фм, температура отжига в зонах А и В лера - 0а, ©ь, наклон температурной кривой вдоль туннели печи отжига а|.

При этом должны выполняться ограничения, накладываемые на свойства и пороки в листовом стекле:

• изменение плотности вырабатываемого стекла в течение суток:

I Пл(| -1) - Пл(1) 1 < АШмак, где Пл (01с6, 0гсЯ, Сре2оз, С8ю)> i - 2, 3,... - шаг принятия решений по управлению;

• оптические искажения, видимые в проходящем свете:

36(V|6i[)M >6|2пр» Огочр. 8, С0г) S Збмин;

• оптические искажения, видимые в отраженном свете (растр):

Ра(9вк.9 i2npi02Onp,ö вых^— Р &мак*

• разнотолщинность ленты стекла: Pt(ViCi|,m,0bk,9imp, 0|2пр, 5)<РтМ(11(;

• отклонение от плоскостности (кривизна) листа стекла:

Кр(8, 0

вых»

Пл)<Крмак;

• блюм-эффект: Бл(012пр, С02, 0Вых)<Блма1С;

• остаточные внутренние напряжения стекла: o(ai, V„c, 5)<амак,

где Cfc203 — содержание Fe203 в стекле, %; Csio - содержание Si02, %; 5 -толщина ленты стекла.

Необходимо выбрать одно из множества решений по коррекции режима работы оборудования из области, задаваемой системой ограничений:

мин — Ö гс2 ~ 0 гс2, мак» 0 гсб, мин — 0 гсб 5 0 гсб, мак»0 гс8, мин ^ 0 1x8 — 0 гс8, мак» 0|2пр, мин ^ 0|2пр— 0|2пр, мак! 02Опр, мин — 02Опр — 02Опр, мак >©а.мин 5©а5 ©а.мак;

©Ьмин <©t>5 ©Ьмак-

Величина приращения управляющих воздействий на каждом шаге управления не должна превышать значений, определяемых особенностями технологии процесса варки-выработки:

I 0rc2(i-l) - 0 rc2 (i) I ^ Д0

гс2 J I " гсб 0-0 - е гсб (i) | SA0 гсб >

I 0rc8(i-l)-Orc8(i) I £A9rcS;|elnp(i-l)-0lnp(i) I <A0lnp;

I 012np(i-l)-Ol2np(i) I ¿Ä012nP; I 02Onp(i-l)^02Onp(i) I ¿A02OnP;

I e,(i-l)-e.(i) I <A0a: I 0b(i-l) - 6b(i) I <A0b ДЛЯ 1=2,3,4,..

Также должны соблюдаться ограничения на форму температурных кривых стекловаренной печи и флоат-ванны:

I 0гсб(1) " о ГС5 (0 I > А0 гс56 ; I 0геб(О " 0 гс8

(i) I >Д0 гс68 »

I 0|2пр(О " 0Bbix(i) I _ А0|2вых ; I 02Опр(О " 0аых(!) I ~ А02Овых для i=2,3,4,..

- При решении задачи управления (планировании) заданными ч

являются план выработки листового стекла Gc и толщина ленты 5. Скорость вытягивания ленты VJIC определяется расчетом через плановую выработку с учетом толщины и ширины ленты. Не вошедшие в постановку задачи режимные переменные стабилизируются на уровнях, определяемых технологическим регламентом.

Для решения задачи управления производством были использованы ранее разработанные адаптивные модели управления.

С учетом описанного выше была получена штрафная функция следующего вида:

M(t):=(X.i *abs(min(PaJ<i„. - Ра,0))+ Х2*аЬз(гшп(Блмак - Бл,0))+ Х3*(аЬ8(Д02Овых -(в2о„р(0-евь|х(1))))+ A.3*(abs(A0|2Bb|X - (0|2np(t)-0№,*«))))+( V(abs(min(Aa-abs(a(t)-a(t-1 )),0)))+A.3*(abs(min((cw + (S(t)-2))-о,0)))+^*аЬ8(т1п(о>0)))+(Х.7*аЬз(т|п(ДПлМ(,к-ДПл,0))+Х8*дг+Х9','аЬ8(пнп(Зб-36M„H,0))+A.10*abs(min(A0 ,c6 -abs(©6re(t-l)-06rc(t)),O))+X.lo*abs(min(AG rc8 -abs(08rc(t-1 )- ©8rc(t)).0))+^i o* abs(min((©6re(t)-©jrC(t)- ДО rc65 ),0))+X10*abs( max((©8rc(t)-©6rc(t)+ A0 гс8б).0))) (2)

где Xi - коэффициенты штрафа; M(t) - функция штрафа на шаге управления; t = 1,2,...- шаг принятия решения по управлению (планированию).

В этой функции первое слагаемое (X^absOniniPa^* - Ра,0))+ Х2*аЬ8(тЬ(Блмак-Бл,О))+Хз*(аЬз(Д92оПих-(02ОпР(0-0вых(О)))+ X3*(abs( Д8|2вых -(0|2пр(1)-0вых(О)))) отвечает за управление режимом работы флоат-ванны. Первый компонент (X|*abs(min(PaAlal< - Ра,0)) определяет ограничения, накладываемые стандартом на оптические искажения по методу «Растра»; второе слагаемое X.2*abs(min(BnMaK - Бл,0)) определяет ограничения, накладываемые стандартом на значение блюма; ограничения X3*(abs(AG20Bblx-(e2o„p(t)-0Bb,x(t))))+X3*(abs(Ae12DWX - (0l2„p(t)-0o,lx(t))))) управляют температурным режимом флоат-ванны.

Второе слагаемое формулы (A.4*(abs(min(Aa-abs(a(t)-a(t-1 )),0))) +).5*(abs(min((aMl,K + (5(t)-2))- a,0)))+X«*abs(mm(a,0))) управляет технологическим, режимом лера. Его первое слагаемое (?wt*(abs(min(Aa-abs(a(t)-a(t-l)),0))) - это офаничение на суточное изменение наклона кривой отжига. Оставшиеся компоненты представляют собой ограничения, накладываемые на разнотолщинность производимого стекла.

Третье слагаемое формулы (2) (^7*аЬз(тт(АПлмак-ДПл,0))+^8*(2г +Х9*аЬ8(ш1п(Зб-Збмин,О))+Х1о*аЬ5(т1п(Аегс6-аЬ8(06гс(И)-06гс(О),О)) +А.,о*аЬз(тт(ДОгс8-аЬз(08ге(1-1 )-08гс(1)),О))+Хш*аЬ8(тт((06гс(1)-03гс(О+ ДО^65),О))+Х|о*аЬ5(тах((08,с(1)-06гс(1)+А0гс86),О))) определяет ограничения накладываемые стандартом на процесс варки стекломассы. Компонент (А.7*аЬ5(тт(ДПлмпв-ЛПл,0)) представляет собой ограничение на суточное изменение значения плотности стекла. Компонент Qг устанавливает связь между управляющими воздействиями и расходом газа на стекловарение. Компонент Х9*аЬз(тт(Зб - 3бми„,0)) устанавливает ограничение на оптические искажения по методу «Зебра». Ограничения на температурный режим стекловаренной печи Х,|о*аЬз(т!п(Д0ге6-аЬз(06гс(И)-©бгс(1)),0))+ ?1ш*аЬ5(тт(Д0ге1ГаЬз(©8гс(1-1 )-08гс(О),О))+Х1О*аЬ8(т1п((©6гс(1)-05гсф- А0ГСб5),О))+Х,о*аЬз(тах((©8г1;(1) -06Гс(О+ Деге8б),0)))- отражают температурные характеристики газовой среды.

Выбор коэффициентов штрафа Х=(Л],Л2,..Л10) проводился по относительному числу нарушений ограничений, накладываемых ГОСТ на качество стекла с использованием центрального композиционного ротатабельного плана второго порядка.

Алгоритм управления методом штрафных функций отличается простотой в эксплуатации, т.к. не требует корректировки параметров в процессе работы.

Оперативное управление на основе предложенного алгоритма производится в режиме предсказания величин технологических параметров на период нескольких (3-4) суток и последующим запуске моделирующего алгоритма для получения значений управляющих воздействий. Основанием для подобного подхода служит довольно высокая инертность процесса производства стекла флоат-способом -

соответственно можно допустить, что на короткий период прогнозирования никаких заметных изменений в процессе производства не произойдет. При этом алгоритм отражает сложившуюся ко времени моделирования тенденцию изменения параметров. Для краткосрочного планирования применение данной методики позволяет получить значения показателей с достаточно высокой точностью.

Четвертая глава посвящена описанию внедрения результатов диссертационной работы в ОАО «Борский стекольный завод» и модернизации программного комплекса «Технолог стекольного производства». Приводятся результаты моделирования на персональном компьютере с целью анализа эффективности ручного управления технологическим процессом и выработки корректирующих воздействий по повышению качества вырабатываемой продукции.

Использование разработанных алгоритмов управления позволяет достичь следующих показателей (табл. 1).

Таблица 1

Экономия от внедрения разработанных алгоритмов управления

Показатель управления Экономия за год, % (м^

Расход газа на линии 1ЛПС 4(1752000)

Расход газа на линии 2ЛПС 2 (876000)

Имитационное моделирование подтверждает преимущество алгоритма автоматического управления линией производства стекла по сравнению с ручным ведением процесса.

Для проверки возможности переноса разработанных алгоритмов на аналогичные объекты управления был проведен анализ работы предлагаемых моделей и алгоритмов на второй линии 2ЛПС ОАО «Борский стекольный завод».

Таблица 2

Результаты имитационного моделирования алгоритма управления процессом варки-выработки ленты стекла на 1ЛПС в 2005 году.

Показатель Ручной режим Алгоритм управления

Среднее значение СКО Среднее значение СКО

Плотность, т/си1 2,4965 0,00362 2,5029 0,00372

Зебра, град 53,0 6,002 57,8 6,03

Расход газа, м3/ч 5002,35 362,75 4821,0 371,0

Растр 1, мм 4,28 1,69 3,25 1,16

Блюм, г/ы2 1,25 0.001 0,89 0,22

Разнотолщинность 1,мм 0,0408 0,033 0,0420 0,025

Остаточные напряжения, нм/см 8,979 2,01 8,8 3,404

Кривизна, мм 0,026 2,095Е-17 0,009 0,0013

Результаты имитационного моделирования предлагаемого алгоритма на технологических линиях 1ЛПС и 2ЛПС по данным работы за 2005 год

приведены в табл. 2. и табл. 3.

Таблица 3

Результаты имитационного моделирования алгоритма управления

процессом варки-выработки ленты стекла на 2ЛПС в 2005 году.

Показатель Ручной режим Алгоритм управления

Среднее значение СКО Среднее значение СКО

Плотность, г/см3 2,49472 0,00098 2,49529 0,0012

Зебра, град 69,1 2,2 71,52 1,95

Расход газа, и'/ч 5160,4 208,78 5062,3 191,64

Растр 1 долянка, мм 3,49 1.17 1,95 1,17

Блюм, г/м2 0,89 0,30 0,78 0,28

Разнотолщинность 1 долянка, мм 0,0374 0,041 0,0379 0,0461

Остаточные напряжения, нм/см 10,84 4,53 9,88 4,32

Кривизна, мм 0,004 0,01021 0,005 0,00996

Имитационное моделирование подтвердило возможность переноса математических моделей и алгоритмов управления на аналогичные линии производства стекла.

Как показывает анализ, использование разработанных моделей и алгоритмов управления позволяет повысить качество вырабатываемого стекла при меньших затратах природного газа на технологические цели.

Заключение

1. На основе анализа современного состояния систем управления качеством листового стекла, показана актуальность проведения теоретических исследований и разработок, направленных на совершенствование системы управления технологическим процессом производства листового стекла на основе использования моделирования для выработки корректирующих действий.

2. Разработаны и исследованы математические модели стадий технологического процесса производства листового стекла.

3. Предложена методика расчета критерия управления технологическим процессом производства листового стекла.

4. Разработан и исследован алгоритм выработки управляющих воздействий по коррекции режима работы технологического оборудования, позволяющие повысить качество вырабатываемого стекла

5. Алгоритмы и модели внедрены в производство листового стекла в ОАО «Борский стекольный завод» и используются в учебном процессе при подготовке студентов и магистров на кафедре ИСИМ ВлГУ.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Васильев A.B., Xopouieea Е.Р., Молодкин A.B. Имитационное моделирование в системе управления качеством листового стекла / Сборник трудов XVIII международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях, том 10. Казанский государственный технический университет, Казань, 2005. —С.72-74.

2. Васильев A.B., Xopouieea Е.Р., Молодкин A.B. Выбор представительных импульсов для управления технологическими процессами на примере стекловарения / Межвузовский сб. науч. тр. Экономика и экономическое образование, ч.1. Владимир, 2005. -С.66 - 69.

3. Васильев A.B., Тарбеев В.В., Молодкин A.B., Xopouieea Е.Р. Имитационное моделирование в системе управления качеством листового стекла /Методы и системы обработки информации: Межвузовский сб. науч. тр. Муром, 2004. -С.46-51.

4. Васильев A.B., Xopouieea Е.Р., Макаров Р.И. Система поддержки принятия решений СМК Полированное стекло. Научно-технический отчет по теме № 2980/04 (гос. Per. № 0120.0 409456). Владимир, 2004. -С.8-37 и с.55-61.

5. Васильев A.B. Разработка и исследование математических моделей агрегатов процесса выработки ленты стекла / Сборник трудов

международной научно-практической конференции Социально-экономические системы и процессы: методы изучения и проблемы развития. Владимир, 2005.- С.325-328.

6. Васильев A.B. О построении единого критерия оптимизации при управлении производством листового стекла. / Сборник трудов всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука -региону». Вологда, 2006.- С.

7. Васильев A.B. О построении единого критерия оптимизации при управлении производством листового стекла, стекловарения / Межвузовский сб. науч. тр. Современные проблемы экономики и новые технологии исследования, ч.2. Владимир, 2006. -С.

Подписано в печать 01.06.06. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме. Печать на ризографе. Усл. печ. л. 1,39. Уч. изд. л. 1,48 . Тираж 100 экз.

Заказ Л000/'. Издательство Владимирского государственного университета 600000, Г.Владимир, ул. Горького, 87.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОГО СТЕКЛА ФЛОАТ-СПОСОБОМ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ ЛИСТОВОГО СТЕКЛА.

1.1. Качество продукции как объект управления, факторы, влияющие на качество. Совершенствование технологических процессов производства листового стекла.

1.2. Основные физико-механические характеристики листового стекла и их зависимость от химического состава и режима варки-выработки.

1.3 Постановка задачи управления технологическим процессом производства листового стекла.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛА ФЛОАТ-СПОСОБОМ.

2.1. Анализ задачи моделирования.

2.2. Определение параметров и переменных моделей.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОГО СТЕКЛА.

3.1. Формализация задачи управления.

3.2. Определение методики расчета общего критерия управления.

3.3. Разработка алгоритмов управления.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРОИЗВОДСТВО ЛИСТОВОГО СТЕКЛА.

4.1. Место подсистемы управления процессом варки-выработки в АСУ производством листового стекла.

4.2. Информационная подсистема поддержки принятия решений «ТЕХНОЛОГ СТЕКОЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА».

4.3. Результаты испытаний моделей и алгоритмов управления технологическим процессом производства листового стекла.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

В настоящее время задача автоматизации и внедрения вычислительной техники в управление технологическими процессами имеет большое значение. Предприятия активно пользуются услугами IT-компаний для внедрения информационных систем, улучшающих технико-экономические показатели производства - повышение качества и рост объема выпуска продукции, увеличение процента выпуска годных изделий, минимизация производственных затрат и др. В основе информационных систем управления технологическими процессами, как правило, лежат математические модели, описывающие показатели работы производства.

Задача системы управления качеством производственного объединения «Полированное стекло» ОАО «Борский стекольный завод» заключается в обеспечении удовлетворенности потребителей за счет постоянного улучшения качества вырабатываемого стекла, чтобы всегда быть одними из первых в конкурентной борьбе на рынке.

Важнейшей задачей производства является постоянное повышение эффективности технологических процессов на основе анализа данных и выработки соответствующих корректирующих действий. Своевременная разработка новых математических моделей технологических процессов, коррекция уже существующих, а также имитационное моделирование работы технологических линий - естественное развитие системы управления качеством промышленного предприятия.

Цель работы - повышение качества вырабатываемого листового стекла за счет выработки рациональных решений по коррекции режима работы технологических линий на основе процессного подхода с использованием статистических методов контроля и управления, а также имитационного моделирования процесса варки-выработки стекла. Работа выполнена в рамках научных исследований процесса производства листового стекла под руководством профессора Макарова Р.И. И представляет собой дальнейшее развитие системы поддержки принятия решений. В отличие от ранее выполненных работ, в которых были поставлены и решены задачи управления отдельным технологическим агрегатом, в представленной работе предпринята попытка решить задачу управления технологическим процессом варки-выработки листового стекла в целом.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие научно-технические задачи:

1) сформулирована задача управления технологическим процессом производства ленты стекла,

2) Разработаны и исследованы математические модели стадий технологического процесса производства листового стекла.

3) Предложена методика расчета критерия управления технологическим процессом производства листового стекла.

4) Разработан и исследован алгоритм выработки управляющих воздействий по коррекции режима работы технологического оборудования, позволяющий повысить качество вырабатываемого стекла.

Использование разработанного математического аппарата для управления флоат-ванной на технологической линии типа ЛПС-5000 в ОАО «Борский стекольный завод» позволило улучшить качество готовой продукции и уменьшить затраты на производство ленты стекла.

Моделирование процесса стекловарения проводилось с использованием программного комплекса «Технолог стекольного производства», эксплуатируемого в ОАО «Борский стекольный завод».

Выводы по главе 4.

• Проведена доработка подсистемы принятия решений «Технолог стекольного производства» по коррекции режима стекловарения и разработан алгоритм управления линией производства стекла. Подсистема находится в промышленной эксплуатации в ПО «Полированное стекло» ОАО «Борский стекольный завод».

• Показана эффективность использования подсистемы при статистическом анализе процесса производства листового стекла и выработке корректирующих действий при управлении технологическим процессом производства листового стекла.

• Показана переносимость разработанных моделей и алгоритмов управления.

Заключение

1. На основе анализа современного состояния систем управления качеством листового стекла, показана актуальность проведения теоретических исследований и разработок, направленных на совершенствование системы управления технологическим процессом производства листового стекла на основе использования моделирования для выработки корректирующих действий.

2. Разработаны и исследованы математические модели стадий технологического процесса производства листового стекла.

3. Предложена методика расчета критерия управления технологическим процессом производства листового стекла.

4. Разработан и исследован алгоритм выработки управляющих воздействий по коррекции режима работы технологического оборудования, позволяющие повысить качество вырабатываемого стекла

5. Алгоритмы и модели внедрены в производство листового стекла в ОАО «Борский стекольный завод» и используются в учебном процессе при подготовке студентов и магистров на кафедре ИСИМ ВлГУ.

1. Макаров Р.И., Хорошева Е.Р., Лукашин С.А. Автоматизация производства листового стекла (флоат-способ) / Под ред. Р.И. Макарова; М.: изд-во Ассоциации строительных вузов, 2002. -192с.

2. Макаров Р.И., Тарбеев В.В., Хорошева Е.Р., Попов Ю.М., Чуплыгин В.Н. Управление качеством листового стекла (флоат-способ): Учебное пособие. -М.: Издательство ассоциации строительных вузов, 2004.-152с.

3. Управление качеством: Учеб. для вузов / С.Д. Ильенкова, Н.Д. Ильенкова, B.C. Мхитраян и др.; Под ред. С.Д. Ильенковой. М.: Банки и биржи, ЮНИТИ, 1998. - 199 с

4. Управление качеством продукции: Учеб. пособие / Под ред. Н.И. Новицкого. М.: ООО «Новое знание», 2002. - 367 с.

5. ГОСТ Р ИСО 9001 2001. Системы менеджмента качества. Требования. М.: Госстандарт России. - 20 с.

6. Давид Марка, Клемент Мак Гоуэн. Методология структурного анализа и проектирования / Пер. с англ. М.: 1993, - 240 с.

7. ISO 8402. Международный стандарт. Управление качеством и обеспечение качества Словарь. - 38 с.

8. ГОСТ 111-2001. Стекло листовое. Технические условия.

9. Розова Н.К. Управление качеством. СПб.: Питер. 2003, 224 с.

10. Тарбеев В.В. Прогрессивные технологические процессы при производстве полированного стекла на Борском стекольном заводе / Учеб. пособие. Нижний Новгород, 1997. 115 с.

11. Кириллова С.Ю. Разработка моделей и методики идентификации процесса стекловарения в производстве листового стекла. Автореферат канд. дис. по специальности 05.13.06 автоматизация и управление технологическими процессами и производствами. Владимир, 2002.

12. Макаров Р.И., Лукашин С.А. Моделирование процесса отжига листового стекла // Сб. науч. тр. Компьютерные и информационные технологии обработки и анализа данных. Муром, 2001. - С. 122-126.

13. Будов В. М., Саркисов П.Д. Производство строительного стекла. М.: Высш. шк., 1977.-208 с.

14. Фандерлик М. Пороки стекла. М.: Госстройиздат, 1964.

15. Андрюхина Т.Д., и др. Изменение плотности листового стекла в процессе производства//Стекло и керамика. 1986.-№ 2.-С. 13- 14.

16. Спирин IO.J1. и др. Расчет оптимального рецепта шихты // Стекло и керамика. 1980. - № 11. - С. 6 - 8.

17. Солинов В.Ф., Повитков Г.Ф., Каплина Т.В. Термомеханические свойства силикатного стекла в зависимости от соотношения шихты и боя // Стеклои керамика,- 1991.-№ 11.-С. 2-3.

18. Солинов В.Ф., Каплина Т.В., Гороховский А.В. Взаимосвязь термомеханических свойств листового силикатного стекла от параметров формования // Стекло и керамика. 1992. - № 5. - С. 7 - 8.

19. Раевская Е.И., Артамонова Г.И. и др. Направления оптимизации составов листовых термически полированных стекол // Стекло и керамика. 1991. -№ 5.-С. 4-5.

20. Солинов В.Ф., Каплина Т.В., Гороховский А.В. Состав защитной атмосферы и водостойкость поверхности силикатного стекла // Стекло и керамика. 1991.-№ 12.-С. 2-3.

21. Тыкачинский И.Д. Проектирование и синтез стекол и ситаллов с заданными свойствами. -М.: Стройиздат, 1977. 144 с.

22. Тыкачинский И.Д., Требушенко JT.A., Сорокина А.Е. Расчет состава стекла в зависимости от комплекса его свойств // Стекло и керамика. 1985. - № 11.-С. 11-13.

23. Автоматизация управления раскроем, резкой и контроль качества листового стекла// Обзорная информация. -М.: ВНИИЭСМ, 1974.

24. Зворыкин Н.М. Реализация процессного подхода на промышленном предприятии /Методы менеджмента качества. -2004. -№1. -с.35-40.

25. Федюкин В.К. Управление качеством процессов. СПб.: Питер, 2004.-208с.

26. Розно М.И., Шинко JI.B. Пора заняться технологическим процессом /Методы менеджмента качества, №7, 2004.-С.39-45.

27. Адлер Ю.П., Шпер В.Л. Контрольные карты Шухарта в действии / Методы менеджмента качества, №2, 2004. -С.34-37.

28. Попов Ю.М. Исследование и разработка системы управления качеством при производстве листового стекла / Автореферат кандидатской диссертации. Владимир, 2004,- 19с.

29. Практикум по теории статистики: Учеб. пособие / Под ред. Проф. Р.А. Шмойловой. М.: Финансы и статистика, 1998. -416с.

30. Макаров Р.И., Молодкин А.В., Ефременков В.В., Субботин К.Ю. Статистический анализ производства листового стекла/межвуз. сб. научн. трудов Экономика и экономическое образование. Филиал ГОУ ВПО ВЗФЭИ в городе Владимире, Владимир, 2005.

31. Смирнов Н.В., Дунин Барковский И.В. Краткий курс математической статистики для технгических приложений. М.: Физматгиз, 1959. -436с.

32. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.:Наука, 1965. - 340 с.

33. Дубинин В.Т., Старчаус И.И., Фомин Ю.В. и др. Особенности варки стекла при нестабильном содержании оксидов железа // Стекло и керамика. -1981. N10. - С. 27-28.

34. Макаров Р.И. Моделирование на ЭВМ инерционных промышленных объектов непрерывного производства/ Учеб. пособие. Владимир: ВПИ, 1985.-88с.

35. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965. - 340 с.

36. Эконометрика: Учебник / Под ред. И.И. Елисеевой. -М.: Финансы и статистика, 2002. -344с.

37. Макаров Р.И., Хорошева Е.Р., Субботин К.Ю., Ефременков В.В., Молодкин А.В. Влияние технологического процесса приготовления шихты на ее качество. Стекло и керамика, №4, 2005. -С42-43.

38. Макаров Р.И., Тарбеев В.В., Молодкин А.В., Чуплыгин В.Н. Математические модели для статистического анализа и регулирования флоат-процесса/ Стекло и керамика, №5, 2004г. -С.3-5

39. Макаров Р.И., Лукашин С.А. Математические модели для статистического анализа и регулирования процесса отжига листового стекла/Стекло и керамика, №9,2001. -С.3-6.

40. Макаров Р.И., Тарбеев В.В., Попов Ю.М., Огрызков С.А., Отцова Е.А. Интегрированная система управления (IMS). Сборник научн. трудов вузов России. Проблемы экономики, финансов и управления производством. -Иваново, 2003. С. 243-248.

41. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики. Учебное пособие для вузов. М., Энергия, 1972. 376с.

42. Макаров Р.И., Дубов И.Р., Лукашин С.А. Анализ стабильности производства полированного листового стекла/Стекло и керамика, №9, 2000. -С. 19-20.

43. Круговой график-радар / Методы менеджмента качества. 2004. №9. -С.50-51.

44. Макаров Р.И. Автоматизация технологического процесса производства листового стекла на основе математических моделей / Автореферат докторской диссертации. Владимир, 1998г.- с.

45. Шориков А.В. Автоматизация технологического процесса формования ленты стекла на расплаве олова/Автореферат кандидатской диссертации. Владимир, 2003, -16 с.

46. Организация взаимодействия человека с техническими средствами АСУ. Системное проектирование взаимодействия человека с техническими средствами /Под ред. В.Н.Четверикова. М.: Высш. шк., 1991. - 142 с.

47. Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. Планированиеэксперимента при поиске оптимальных условий, М.: Наука, 1976.

48. Б. П. Штаркман, Т. М. Карташова, Э. А. Середа и др. Оптимизация рецептуры и режима желатинизании пластизолей. — Пластические массы, 1969, №2.

49. Бородюк В.П., Лецкий Э.К. Статистическое описание промышленных объектов. М.: Энергия, 1971.-е. 111

50. Райбман Н.С., Чадеев В.М. Построение моделей процессов производства. М.'.Энергия, 1975. - 375 с.

51. Matlab User's Guide. MathWorks Inc., 2000. WEB: http://www.matlab.com.

52. Советов Б.Я., Яковлев C.A. Моделирование систем. M.: Высшая школа, 2001.-343 с.

53. Ланцов В.Н. Моделирование: Учеб. пособие. ч.1./ВлГУ Владимир, 1999.-88 с.

54. Карманов В.Г. Математическое программирование. М.: Наука, 1980.-256 с.