автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Исследование и разработка подсистемы обработки информации для предупреждения аварийных ситуаций

На правах рукописи

Антипов Константин Валерьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ (на примере выщелачивательного цеха ОАО «ЭЛЕКТРОЦИНК»)

Специальность: 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 ИЮЛ 2013

005531693

Владикавказ

-2013

005531693

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Хасцаев Борис Дзамболатович

Официальные оппоненты: Рутковский Александр Леонидович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Теория и автоматизация металлургических процессов и печей» ФГБОУ ВПО СКГМИ (ГТУ)

Хахо Игорь Хамидович

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Автоматизированные системы обработки информации» ФГБОУ ВПО КБГУ им. Х.М. Бербекова

Ведущая организация: ОАО «Электроцинк», г. Владикавказ

Защита диссертации состоится «20» сентября 2013г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д212.246.01 при ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)» по адресу: 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГМИ (ГТУ). Факс: (8672) 407-203. ЕтаП: info@skgmi-gtu.ru.

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

Автореферат разослан « 10 » июля 2013 г.

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

О^^ І А. Ю. Аликов

ОЕЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение качества производимого цинка и снижение затрат на его производство в современных условиях нестабильной мировой рыночной экономики является приоритетной задачей соответствующих заводов, так как высокое качество производимого цинка в совокупности с его низкой стоимостью приводит к высококонкурентности заводов на рынке.

Частично эта задача до настоящего времени решалась благодаря внедрению современных информационных технологий, усовершенствованию производственно-технической базы, улучшению условий труда персонала на предприятиях. Также важно отметить тот факт, что после недавнего вступления России в ВТО к предприятиям будут предъявляться требования на соответствие ГОСТ Р ИСО 14004-2007 и ужесточаться требования безопасности опасных промышленно-производственных объектов по контролю за безопасностью окружающей среды в соответствии с положениями Федерального закона №7 от 10.01.2002г. «Об охране окружающей среды», Федерального закона №116 от 21.07.1997г. «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».

Вышеизложенное обязывает российские металлургические предприятия внедрять в производство новое оборудование в совокупности с современными информационными технологиями и техническими средствами, в том числе в производство цинка для эффективного управления, как всем производственным процессом, так и отдельными его участками, что позволит получать высокое качество цинка, к примеру, марки Special High Grade, и исключить аварийные ситуации в производстве цинка.

Процесс производства цинка подробно исследован в работах М.Д. Ку-димы, А.П. Снурникова, Г.Г. Михайлова, Ю.М. Смирнова, а оптимизация цинкового производства, повышение его эффективности рассмотрены в научных трудах Л.В. Канторовича, В.В Леонтьева, Ю.П. Иванилова, A.A. Макарова и др. Тем не менее, ряд вопросов повышения эффективности производства цинка в настоящее время требуют дальнейших исследований.

Несмотря на внедрение современных информационных систем управления, по-прежнему последнее слово в управлении остается за человеком, поэтому важнейшим этапом в процессе производства является принятие эффективного и оперативного решения. Однако, разнообразие существующих систем управления не позволяет добиться сочетания высокой эффективности в управлении, безаварийности и стабильности всех параметров производственного процесса. В связи с этим возникает необходимость разработки методов и алгоритмов обработки информации для информационной системы управления производственным процессом, на основе которых лицо, принимающее решение (ЛПР), способно оперативно принимать эффективное управленче-

ское решение и воздействовать на ход производственного процесса. Это, в свою очередь, позволит: повысить безопасность и производительность труда на предприятии; снизить себестоимость цинка за счет снижения затрат на энергоресурсы, проведение ремонтно-восстановительных работ и т.д.; повысить рейтинг предприятия на российском и международном рынках.

Своевременность и актуальность решаемых в этой работе задач заключаются в необходимости разработки методов и алгоритмов обработки информации для системы управления производством цинка на этапе его выщелачивания, обеспечивающих ЛПР принятие эффективных и оперативных решений в процессе управления цинковым производством, направленных на снижение аварийных ситуаций.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов и алгоритмов обработки информации, а также принципов построения подсистемы обработки информации для предупреждения аварийных ситуаций (ППАС) выщелачивательного цеха металлургического предприятия.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Исследование технологического процесса выщелачивания цинка и существующих систем управления процессом выщелачивания цинка.

2. Разработка метода инициализации и способа визуализации решения негативных ситуаций технологического процесса выщелачивания цинка.

3. Разработка структуры и модели системы управления выщелачивательного цеха с ППАС.

4. Разработка алгоритма функционирования и принципов построения ППАС.

Объектом исследований в работе являются современные системы управления и обработки технологической информации и принятии решения при управлении выщелачивательным цехом цинкового производства.

Предметом исследований в работе являются методы и алгоритмы работы систем управления и обработки технологической информации при управлении выщелачивательным цехом цинкового производства.

Методы исследования. Решение поставленных задач базируется на комплексе научных методов, включающих системный анализ, анализ риска опасных промышленных объектов, экономико-статистический анализ, теории принятия решения.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложен критерий в виде расчетного коэффициента критичности, отражающего наиболее вероятностные изменения технологических параметров и сбоев оборудования.

2. Разработана алгоритмическая модель производственного процесса, определяющая участки и основные технологические параметры, влияющие на возникновение аварийных ситуаций.

3. Предложены алгоритмы обработки информации в ППАС выщелачи-вательного цеха и разработана структурная схема этой подсистемы, обеспечивающие снижение числа негативных ситуаций на производстве цинка.

4. Разработан графический способ визуализации информации, необходимой ЛПР для оперативного воздействия на негативные ситуации, а также аппаратно-программное обеспечение ППАС.

Практическая значимость диссертационной работы:

1. Предложенный способ определения возможных негативных ситуаций и алгоритмы обработки информации применимы не только в выщелачива-тельном цехе, но и в других цехах металлургических предприятий.

2. Разработанные методы по обеспечению безопасности и снижению количества аварийных ситуаций имеют важное практическое значение для организации безаварийных производств.

3. Предложенные в работе способ инициализации и способ визуализации негативных ситуаций применимы во многих предприятиях металлургической промышленности для повышения эффективности производства и безопасности труда.

Реализация и внедрение результатов. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ОАО «Электроцинк» (г. Владикавказ).

Реализация результатов обеспечивает экономический эффект за счет снижения количества негативных ситуаций в выщелачивательном цехе и соответствующего уменьшения затрат на ремонтно-восстановительные работы. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы в выщелачивательном цехе по производству цинка составляет 760 тыс. руб. в год на примере ОАО «Электроцинк».

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются экспериментальными результатами, полученными от внедрения разработанной ППАС в ОАО «Электроцинк».

Апробация диссертационной работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных НТК СКГМИ (ГТУ), научных семинарах кафедры «Промышленная электроника», кафедры «Организация производства и экономики промышленности» СКГМИ (ГТУ) (2009-2012гг.), а также на следующих международных, всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях: VII Международная научная конференции «Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений», г. Владикавказ, 14-16 сентября 2010г.; Международная научно-практическая конференция «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» г.Владикавказ, 2010г.; Всероссийский молодежный образовательный Форум «Селигер-2011», секция «Инновации и техническое творчество» (Тверская область, 2011).

Личный вклад автора. Основные научные положения, выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.

Публикации. По теме диссертации публиковано 7 печатных работ, в том числе 3 работы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ для публикации основных научных результатов диссертационной работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Содержание диссертации изложено на 127 листах машинописного текста и включает 38 иллюстраций, 19 таблиц и 2 приложения, список литературы содержит 56 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, охарактеризована научная новизна работы, отмечены ее практическая значимость, обоснованность и достоверность научных положений, приведены сведения об апробации результатов диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ цинкового производства по непрерывному процессу выщелачивания цинкового огарка, в котором определены проблемы процесса управления, исследованы факторы, приводящие к возникновению аварийных ситуаций в цехе.

Выщелачивательный цех является центральным звеном в гидрометаллургическом производстве цинка, от него в значительной мере зависят технико-экономические показатели всего предприятия: извлечение цинка в раствор, расход энергоресурсов, себестоимость цинка и т.д. Эта зависимость, главным образом определяется тем, что выщелачивательный цех выполняет одну из центральных задач в процессе производства цинка.

В ходе проведенных системных исследований в выщелачивательном цехе были выявлены основные технологические параметры т„ оказывающие непосредственное влияние на технологический процесс выщелачивания цинка. Изменения значений признаков технологических параметров Ш1....тп обуславливают различные производственные ситуации, разделенные в работе на несколько типов. Все возможные типы ситуаций приведены в таблице 1. Они классифицированы на регламентированные (Рп) и негативные (Ин, Пс, Ас, А).

С учетом отмеченного, в главе разработана концептуальная модель причин, приводящих к нарушениям технологического режима и, соответственно, к снижению эффективности производства и возникновению негативных (аварийных) ситуаций.

Определено, что процесс выщелачивания цинка производится на объекте, относящемуся к категории «опасные производственные объекты», поэтому нарушение установленного режима работы (отклонение значений величин технологических параметров и сбоев оборудования) способно привести к не надлежащему извлечению в раствор цинка и возникновению аварийных ситуаций.

Таблица 1 - Типы возможных ситуаций, возникающих в процессе выщелачивания цинка

Типы ситуаций Характеристики ситуаций

Регламентированный процесс выщелачивания цинка -Рп Бесперебойная работа оборудования, отсутствие отклонений значений величин технологических параметров.

Инцидент - Ин Повреждение оборудования цеха, отклонение значений технологических параметров в пределах установленных технологических допусков.

Предаварийная ситуация - Пс Предельно-допустимое отклонение значений технологических параметров выщелачивания цинка.

Аварийная ситуация — Ас Выход значений технологических параметров за пределы технологического допуска, способный привести к деформации и остановке оборудования, возможны не предусмотренные выбросы вредных веществ и пр.

Авария (чрезвычайная ситуация) - А Деформация или разрушение оборудования, приводящее к материальному, социальному, экономическому и экологическому ущербу (возможна гибель людей).

Предложенный показатель аварийности А„ оценивает степень аварийности в цехе и имеет следующий вид:

Av-- ~ — min при M(t)>0, m(t) < MU), тогда О <ÂV < 1, ( 1 )

где m(j) - количество аварийных ситуаций, вызываемыми нарушениями технологического режима за заданный период времени t (m(t) > 0); M{t) - общее количество негативных ситуаций за тот же период времени t.

Определено, что на сегодняшний момент основная задача по поддержанию регламентированного процесса выщелачивания цинка, а, следовательно, и недопущению аварийных ситуаций, возлагается на систему супер-визорного управления и сбора данных (ССУСД) типа SCADA trace mode. Однако, проведенный анализ существующих ССУСД выщелачивания цинка показал, что при их эксплуатации вероятность возникновения аварийных ситуаций остается высокой. Более того, в случае сбоя ССУСД отсутствует возможность мониторинга и контроля технологического процесса в режиме реального времени, что существенно сокращает эффективность и оперативность ЛПР в принятии управленческого решения. Вышеизложенное определило необходимость разработки ППАС для обеспечения возможности предупреждения и устранения аварийных ситуаций в процессе выщелачивания цинка.

Большинство проведенных исследований по данной проблеме показало необходимость разработки современных систем управления цинковым производством, обладающих не только возможностью контроля, мониторинга и управления, но и способностью оценивать текущую производственную ситуацию с выработкой соответствующего управленческого решения.

Вторая глава посвящена разработке принципов построения ПГТАС вы-щелачивательного цеха. Разработан способ инициализации наиболее опасных и часто возникающих негативных технологических ситуаций. Предложена структурная схема системы управления и определен интегральный показатель, оценивающий эффективность работы системы управления.

Способ инициализации негативных ситуаций 5={5'/...5'„} разработан экспериментальным путем с использованием метода проверочного листа, составленный на основании мнений экспертов. Каждому эксперту присвоен вес (0</?<1) в зависимости от: занимаемой должности, опыта работы и наличия ученой степени. На основе метода определяется показатель критичности, имеющий вид:

где Оср - средняя вероятность отклонения параметров по мнению экспертов; О, — вероятность отклонения параметров по мнению /"-го эксперта; Р, - оценка тяжести предполагаемых последствий по мнению /-го эксперта; Рср - средняя оценка тяжести предполагаемых последствий по мнению экспертов; N — количество экспертов, выставивших оценки.

Показатель К предоставляет возможность построить ранжированные негативные ситуации в зависимости от его значений и выделить наиболее опасные негативные ситуации. На них экспертами предложены управленческие решения на ситуации при которых показатель критичности К

принимает наибольшие значения. Негативная ситуация, на которую выработано хотя бы одно управленческое решение, была названа априорной -Е={т,...т„}.

В разработанной структурной схеме системы управления, показанной на рисунке 1, выделены 3 уровня обработки данных и показана обратная связь, необходимая для управления работой агрегатов цеха. В совокупности все уровни управления призваны поддерживать регламентированный процесс выщелачивания цинка.

Структурная схема системы управления выщелачивательны.м цехом показывает взаимодействие ППАС с ССУСД цеха и ЛПР. Структуризация ППАС, представленная на рисунке 2, отражает состав ППАС и взаимодействие разработанной подсистемы с главными звеньями цепи управления технологическим процессом выщелачивания цинка.

(2)

где

(3)

административный уровень, сбора а обработки данных

Администрация предприятия

ЛПР

(диспетчерский пункт)

Технические службы

системный уровень соора и оораоопсн данных

ССУСД

ППАС

КИПі

агрегат цетщ

кнп>

J

агрегат цеха;

агрегат дехаз

н

Исполнительные МСХаШШШ

агр«гат агрегат

ц«га*.! І игхаї

технический вровень соора данных

Рисунок 1 - Структурная схема системы управления выщелачивательным

цехом с ППАС.

ЛПР

(диспетчерский пункт)

ССУСД

ЦЕХ

ц

и

І15

Елок визуализации

и

и

ь

и

Блок выбора решения

¿7

ППАС

Блок оценки ситуации

Блок обработки предварительных решений

Блок классификации ситуации

Рисунок 2

- Структура ППАС и ее связи с основными звеньями системы управления выщелачиванием цинка. 9

В структуре ППАС выделены 5 блоков и соответствующие им связи, которые обеспечивают:

I/ - информирование ППАС о текущей ситуации, имеющей место в вы-щелачивательном цехе, посредством блока оценки ситуаций;

Ь2 - информирование ЛПР об отсутствии необходимости вмешательства в процесс выщелачивания цинка (происходит регламентированный ход выщелачивания цинка);

Ь3 - информирование об оценке сложившейся негативной ситуации, при которой есть необходимость определения признаков этой ситуации;

Ь4 - передачу информации о классифицированной ситуации из блока классификации ситуаций в блок выработки решения;

- передачу данных в блок визуализации о найденном решении сложившейся ситуации, которые трансформируется в вид, понятный ЛПР;

Ь6 - запись в блок выбора решения нового выработанного решения ЛПР или запрос на получение сведений о негативных ситуациях, случившихся ранее, в целях предупреждения негативных ситуаций;

/,7 - передачу информации об отсутствии одного решения по сложившейся предаварийной ситуации, при которой прибегают к помощи блока обработки предварительных решений для выбора наилучшего альтернативного решения в последствии передаваемого в блок выбора решения;

Ь8 — информирование ЛПР о решении по выходу из сложившейся ситуации или об отсутствии такового;

Ь9-ввод запроса ЛПР о возможных ситуациях или ввод собственных решений возможных негативных ситуаций;

Ь10 - ввод запросов в блок выбора решения по воздействию на объект управления в случаях возможных негативных ситуаций.

Анализ работы ППАС позволил выявить следующие функциональные особенности блоков ППАС.

Блок оценки ситуаций необходим для решения задач по определению типа текущей производственной ситуации и информирования о ней ЛПР посредством блока визуализации. Необходимым условием правильности оказываемых воздействий является достоверная оценка текущей ситуации в вы-щелачивательном цехе. Набор значений признаков т, описывает состояние выполняемых процессов в некоторый момент времени I и определяется как «текущая ситуация» - 5. На основании значений измеренных величин технологических параметров, полученных от ССУСД, в блоке оценки ситуаций производится определение типа текущей ситуации представленные следующими типами ситуаций: или §=Рп, или §-Ин, или §=Пс, или §=Ас, или Б=А. Необходимо отметить, что рассмотрение таких типов ситуаций, как «регламентированный процесс» (Рп) и «авария» (А), являются ситуациями, в которых отсутствует необходимость в предупреждении аварий и поэтому в работе не рассматриваются. Учитывая это, типы ситуаций: «Ин, Пс, Ас», были подразделены на подтипы:

- уменьшающийся инцидент (Ин) - Ин';

- возрастающий инцидент (Ин) - Ин~ ;

- уменьшающаяся предаварийная ситуация (Пс) - Пс ;

- возрастающая предаварийная ситуация (Пс) — Пс+ ;

- уменьшающаяся аварийная ситуация (Ас) - Ас';

- возрастающая аварийная ситуация (Ас) - Ас* .

Разделение негативных ситуаций на подтипы позволяет выявлять отклонения значений признака т, в сторону уменьшения или увеличения для нахождения соответствующего управляющего воздействия на сложившуюся ситуацию в цехе. В случаях определения ситуации § как негативной (например, или §=Ян+\ или §=Пс+~, или §=Ас"~), информация поступает в блок классификации ситуаций. В данном блоке производится сравнение ситуации § с набором априорных ситуаций Е={Е1...Е„} на соответствие значений признаков т, е 5.

Для нахождения решения на входную негативную ситуацию информация поступает в блок выбора решения. Однако, если текущей негативной ситуации не соответствует единственная априорная ситуация (5, Ф £,) в блоке выбора решения, то возникает необходимость в использовании блока обработки предварительных решений. Назначением блока обработки предварительных решений является выбор такой априорной ситуации, решение которой было бы наиболее эффективно в сложившейся ситуации в цехе. Таким образом, блок выбора решения, блок классификации ситуаций и блок обработки предварительных решений совместно решают задачу по формированию ответа на сложившуюся негативную ситуацию на участках выщелачива-тельного цеха.

Разработанная структура блока визуализации определяет состав и назначение его составляющих, которые обеспечивают визуальное отображение информации в виде, наиболее понятном ЛПР.

Исследование вопроса определения эффективности системы управления показало целесообразность применения интегрального показателя Он позволяет оценить эффективность использования системы управления.

Показатель О представляет собой совокупное значение различных технических показателей и определяется выражением:

С- 0(0- ТПКГ-Р1, (4)

<2«)^^ (5)

где <2(0 - вероятность безотказной работы устройств системы управления за период времени М0 - исходное число работоспособных устройств; п(1) -число отказавших устройств за время I;

^=2Х/1Х (6)

/=1 1-1

где Тех _ показатель уровня загрязнения атмосферы и гидросферы; М- — максимально допустимая масса выбросов (сбросов) /-го вещества в атмосферу

иГ 1-1?, (9)

(гидросферу), т/год; М- — фактическая масса выбросов (сбросов) г-го веще-'ф

ства в атмосферу (гидросферу), т/год;

где Кг - коэффициент уровня затрат на ремонтно-восстановительные работы в период времени г, чел/час; X] (£)"""' - планируемые затраты на организацию ремонтно-восстановительных работ, чел/час; £ х (ьу^юкт - фактические затраты на организацию ремонтно-восстановительных работ, чел/час;

где Р„ - показатель надежности системы управления; Ки(г)=Са+Сь - количество нереализованных решений по негативным ситуациям за период времени /; С0- количество решений, приведших к простою в цехе; С;,-количество решений приведших к ухудшению типа ситуации; Ко6(0 - общее количество принятых решений по негативным ситуациям за период времени V,

Ип 1Тп

где К/— коэффициент качества управленческих решений; £ £л - потери производственного времени из-за неверно принятых решений, час.; £]Тп- общее количество производственного времени, час.

Важно отметить то, что для соблюдения условия (4) необходимо, чтобы произведение всех описанных показателей и определяемых по выражениям (5)...(9) также стремилось к 1.

В третьей главе сформулирована и обоснована схема процесса управления предупреждения аварийных ситуаций, исследован и разработан алгоритм работы ППАС, а также разработаны алгоритмы обработки информации всех функциональных блоков ППАС, обеспечивающих в совокупности выработку и представление управленческого решения для сложившейся негативной ситуации в цехе.

Разработанный алгоритм работы ППАС, показанный на рисунке 3, отражает порядок обработки данных с учетом связей, выделенных в структуре ППАС, и позволяет вырабатывать управленческое решение по сложившейся ситуации.

В алгоритме работы ППАС приведены ее функции в обобщенном виде, поэтому для детального анализа свойств и возможностей ППАС были разработаны алгоритмы всех функциональных блоков, входящих в состав подсистемы.

В виду того, что на процесс выщелачивания цинка оказывают влияние множество постоянных и переменных технологических параметров, были разработаны требования корректности данных для признаков технологических параметров.

При проведении экспериментов и разработке алгоритмов работы функциональных блоков методом средних арифметических и методом медиан

рангов были использованы пять технологических параметре §={т],т2,т3,т4,т5), где:

уровень рН на этапе «Кислого выщелачивания»; т2- степень окисления железа;

содержание никеля в растворе перед подачей на электролиз, мг/л; /^.содержание кобальта в растворе перед подачей на электролиз, мг/л; /я* .уровень рН на этапе «Нейтрального выщелачивания».

Прием даним* от ССУСД (уровень рІІ, и т.д.) - £,/

Обработка данных в блок оце ики ситуаций для определения типа текушей производственной ситуации - §

Формирование данных для блока классификации ситуаций. Передача информации о текушей ситуации - Ь2

Обработка ииформацив о текущей ситуации в выявление соответствующей априорной ситуации. Передача информации в блок выбора решений —Ь4

Выбор /-го управленческого решения в блок выбора решения

Прием данных в блок визуализации дли

информирования ЛПР о текущей производственной ситуация и возможного решения по устранению негативной ситуации -£г

Рисунок 3 - Алгоритм работы ППАС.

По мнению экспертов выделенные параметры в значительной мере оказывают влияние на процесс выщелачивания цинка, с учетом которых были разработаны алгоритмы работы всех функциональных блоков ППАС.

Результатом работы блока оценки ситуаций является присвоение текущей ситуации 5 статуса в виде возможного типа ситуации, который передается для обработки данных в блок классификации ситуаций. Поступающие на вход в блок классификации ситуаций ситуации 5 сравниваются с набором априорных ситуаций Е={Е,, Е2, ..., Е„} по всем признакам т,.

Разработанный способ инициализации позволяет определить близость текущей ситуации § с ситуациями из набора априорных £={£;, Е2, .... Е„} по признакам технологических параметров. Полученный результат передается в блок выбора решения, в котором, в случае равенства ситуации 5 только одной ситуации Е, (5 = Е,), происходит выработка управленческого решения для ЛПР. В случае, когда ситуация Е или §=Е,... Е„ происходит обращение к блоку обработки предварительных решений, где выбирается ситуация Е, выработанная экспертом с наибольшим значением веса /?, определенного в главе 2. Пример выбора априорной ситуации в блоке обработки предварительных решений представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Коэффициенты априорных ситуаций

Априорная ситуация

Вес эксперта 0в), выработавшего управляющее решение е, е2 ез е4 е5 е6 е7 е8 е9 ею

Эксперт №1 0,8 - 0,8 0,8 - 0,8 - - 0,8 -

Эксперт №2 0,6 0,6 - - 0,6 - - 0,6 0,6 0,6

Эксперт №3 1 1 - 1 1 - 1 - - 1

Эксперт №4 0,6 - 0,6 0,6 - 0,6 0,6 - - 0,6

Эксперт №5 - 1 - 1 - - 1 1 - 1

Эксперт №6 - 0,2 - - - 0,2 - 0,2 - -

Эксперт №7 0,6 - 0,6 0,6 - 0,6 - - 0,6 0,6

Эксперт №8 0,9 - 0,9 0,9 0,9 0,9 - - 0,9 0,9

Эксперт №9 0,8 - - - 0,8 - - 0,8 0,8 0,8

Эксперт №10 - 0,3 0,3 0,3 - - 0,3 0,3 - -

Итоговый коэффициент j 5,3 3,1 3,2 5,2 3,3 3,1 2,9 2,9 3,7 5,5

Таким образом, если в блок обработки предварительных решений из блока выбора решений поступает ситуация 5, которой близки априорные ситуации Е4, Е5, Е9, то наиболее эффективной априорной ситуацией будет считаться Е4 в виду набольшего значения итогового коэффициента J, равного 5,2, из априорных ситуаций Е4, Е5, Е9 Тогда текущей ситуации Л' присваивается априорная ситуация Е4, которая передается в блок выбора решений для представления ее управленческого решения ЛПР. Однако в случае, когда в блоке обработки предварительных решений поступает ситуация 5, которой

близки априорные ситуации е2, е6, где значения коэффициентов равны, выбор наиболее эффективной априорной ситуации осуществляется произвольно.

Разработан и исследован алгоритм взаимодействия ППАС с ССУСД и ЛПР. ППАС определяет текущую ситуацию в цехе исходя из набора признаков {т,,т2, т3,пи, т5}, полученных от ССУСД. В случае соответствия признаков требованиям корректности данных, ППАС осуществляет их обработку для выработки управленческого решения по воздействию на текущую негативную ситуацию S. Выработанное управленческое решение или его отсутствие предоставляется ЛПР в понятном виде, а в случае не соблюдения условий требований корректности данных, ему выводится информационное сообщение об ошибке. В целях предупреждения возможных негативных ситуаций для ЛПР предусмотрена возможность ввода запросов на получение сведений из блока выбора решений по управленческим решениям из ранее определенного набора априорных ситуаций. Алгоритм такого взаимодействия ЛПР с ППАС приведен на рисунке 4.

На основании разработанных алгоритмов обработки данных для ППАС были сформированы специализированные требования (технические, информационные и т.п.), цель которых обеспечить успешное функционирование и взаимодействие имеющихся технических и информационных средств. Поскольку место ЛПР может быть удалено от серверов ППАС и ССУСД взаимодействие осуществляется посредством компьютерной сети, поэтому разрабатываемая ППАС построена на базе вычислительной архитектуры «клиент-сервер», в которой сетевая нагрузка распределена между сервером ППАС и его клиентом - ЛПР.

Архитектура взаимодействия ЛПР (клиентской части) с ППАС и ССУСД представлена на рисунке 5.

Определено требуемое аппаратно-программное обеспечение, включающее программное обеспечение ППАС, отвечающее функциональным и пользовательским требованиям, а также техническое обеспечение, включающее технические средства, имеющиеся на предприятии, для максимально эффективной работоспособности ППАС. В состав технического обеспечения ППАС входят технические средства, выполняющие следующие функции: ввода, хранения (накопления), поиска, обработки, вывода, отображения и передачи данных, а также средства, обеспечивающие оперативную замену оборудования (зеркалирование, кластеризация и т.п.). При этом технические средства разделены на АРМ ЛПР, сервер ППАС и АРМ администратора ППАС (инженера по автоматизации). Разработанные аппаратно-техническое и информационное обеспечения позволило разработать структуру данных ППАС, которая представлена на рисунке 6.

В качестве СУБД для банка данных ППАС, базы данных и базы знаний была выбрана СУБД Microsoft Visual FoxPro, обеспечивающая управление данными при выбранной вычислительной архитектуре.

Рисунок 4 - Алгоритм взаимодействия ППАС с ЛПР.

В процессе экспериментальной апробации результатов диссертации специалистами по автоматизации завода «Электроцинк» было отмечено, что успешное функционирование ППАС позволяет дать высокий экономический, экологический и производственный эффекты. В частности, ППАС:

- освобождает ЛПР от необходимости в определении тяжести текущей ситуации и вырабатывает на нее управленческое решение;

- позволяет вырабатывать более рациональные варианты решения управленческих задач;

- позволяет значительно уменьшить затраты на ремонтно-восстанови-тельные работы в цехе;

- обеспечивает электронную обработку данных о случившихся фактах негативных ситуаций, что позволяет рационально производить анализ причин возникновения негативных ситуаций.

Админиетщщия завода

Канады связи

СЕРВЕР ППАС

Л

л-

БАНК ДАННЫХ ППАС

СЕРВЕР ССУСД

3

БАНКДАННЫХ ССУСД

II

Каналы связи

ж

Клиентская Коашуннкащгогатое Операционная Аппаратная

часть программное система платформа

оо-еспечекне ышента

АРМ ДПР

Рисунок 5 - Архитектура взаимодействия ЛГ1Р с ССУСД и ППАС.

В четвертой главе рассмотрены задачи практической реализации результатов диссертационной работы, приведены результаты проведенного экспериментального исследования работы ППАС, определен экономический эффект от применения результатов диссертации на предприятии.

На основе входящего в состав ССУСД графической НМЬконсоли (человеко-машинного интерфейса) был разработан пользовательский интерфейс ППАС, основной задачей которого является легко воспринимаемое графическое и цветовое отображение информации о текущей ситуации и управленческом решении на возможную негативную ситуацию.

Особенностью разработанного пользовательского интерфейса является его адекватная реакция на изменение ситуации в выщелачивательном цехе, а

также представление ЛПР своевременных, четких и понятных рекомендаций по выходу из возможной негативной ситуации.

Рисунок 6 - Общая структура данных ГТПАС.

Большое значение для ЛПР имеет способ графической визуализации данных. Разработанный в работе способ предусматривает визуализацию данных в виде текста и цифр. Реализация способа иллюстрирована на рисунке 7.

Разработанные аппаратно-программное обеспечение, вычислительная архитектура, структурная схема и модель системы управления позволяют построить и продемонстрировать пример реализации системы управления с использованием ППАС. Вариант структурной схемы управления представлен на рисунке 8.

В работе исследована экономическая эффективность от внедрения ППАС на примере ОАО «Электроцинк» (г. Владикавказ). Было определено, что повышение экономической эффективности возможно из-за:

- снижения фактов возникновения негативных ситуаций в цехе;

- сокращения расходов на оплату труда;

- снижения затрат на ремонтно-восстановительные работы и пр.

Выщелачивательный иех

ССУСД

ППАС

СУБД

Блок метрологического

Клок шкгаксическвго акзлша

Блок СШЖПЩеСКОГО

аталш

БАЗА ЗНАНИИ ППАС

ВАЗА ДАННЫХ БЛОКА

Нвфоротшдаите омсвгчедве

Етак вшташзпяв

/

Есгееткевво-

■ЧИЖОВОЙ

ЕсТ«ГШ4КН£>-,|5ЫК0ЕаХ форма я

репквшцртветг на запрос)

АРМ Л1ТР (диспетчерский пуки)

Графическое гафорзшраваявг « состоянии твовологического пропета

Рисунок 7 - Реализация способа визуализации (на основе морфологического, синтаксического и семантического блоков ППАС и т.д.).

При этом экономический эффект от внедрения результатов диссертации на ОАО «Электроцинк» составил 760 тыс. руб./год.

В ходе проведенных экспериментов с ППАС в период 2011-2012 гг. в выщелачивательном цехе ОАО «Электроцинк» было выявлено значительное снижение количества негативных ситуаций. Это подтверждается полученными данными, приведенными в таблице 3.

После внедрения ППАС в 2012 году уровень эффективности системы управления увеличился по всем показателям. Изменение интегрального показателя АО составило +0,25, то есть после внедрения ППАС можно говорить о повышении эффективности функционирования системы управления на 25%, что показывает высокую эффективность разработанной ППАС.

Рисунок 8 - Вариант применения ППАС в составе системы управления вы-щелачивательным цехом.

Таблица 3 - Динамика изменения интегрального показателя Є за 2010 и 2012гг

Наименование показателя Обозначение Значение за 2010 Значение за 2012 Изменение значения, Д

Вероятность безотказной работы устройств, входящих в систему управления во 0,83 0,87 +0,04

Показатель уровня загрязнения атмосферы и гидросферы т 1 ех 0,69 0,91 +0,22

Коэффициент уровня затрат на ремонтно- восстановительные работы в период времени 1 Кг 0,71 0,79 +0,08

Показатель надежности системы управления Рп 0,90 0,94 +0,04

Коэффициент качества управленческих решений Ч 0,81 0,92 +0,11

Интегральный показатель в 0,29 0,54 +0,25

Внедрение результатов диссертации в производство на примере ОАО «Электроцинк» (г. Владикавказ) и их экспериментальная проверка показали, что от внедрения ППАС на 2012 год общее количество негативных ситуаций на предприятии снизилось на 50,7 % по сравнению с 2010 годом. Количественное соотношение различных негативных ситуаций по годам в выще-лачивательном цехе представлено на рисунке 9.

До внедрения ППАС

Инциденты

Аварийные ситуации

год

Рисунок 9 - Количественное соотношение негативных ситуаций, возникших до и после внедрения ППАС (на примере выщелачивательного цеха ОАО «Электроцинк» г. Владикавказ).

Экспериментально полученные значения показателя А„ в соответствии с условием (1) по разным годам сведены в таблицу 4, которая показывает высокие результаты от внедрения разработанной ППАС.

Таблица 4 - Значения показателя аварийности А„

Время (год) Ау

1998 0,170

2010 0,029

2011 0,015

2012 0

Все вышеописанное подтверждает существенное увеличение эффективности работы системы управления металлургическим производством от внедрения ППАС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных в диссертационной работе исследований сделаны следующие выводы:

1. Исследован процесс управления выщелачивательным цехом цинкового производства и выявлено, что основной причиной возникновения негативных ситуаций при выщелачивании цинка является человеческий фактор. В связи с этим, показана важность и необходимость разработки подсистемы предупреждения аварийных ситуаций, исключающей зависимость аварийных ситуаций от человеческого фактора.

2. Предложен новый подход к повышению эффективности принимаемого решения ЛПР, основанный на применении расчетного коэффициента, позволяющего дифференцировать участки процесса выщелачивания цинка по степени тяжести возможных последствий. Разработан способ инициализации негативных ситуаций, основанный на применении расчетного коэффициента критичности К, отражающий наиболее вероятностные изменения технологических параметров и сбоев оборудования, их причин, места возникновения и возможные последствия.

3. Разработана функциональная схема системы управления технологическим процессом выщелачивания цинка с ППАС, позволяющая ЛПР выдавать рекомендации и мероприятия по воздействию на негативную ситуацию.

4. Разработана модель и определены функциональные блоки ППАС, необходимые для выработки решения по исправлению сложившейся негативной ситуации в выщелачивательном цехе.

5. Разработаны общий алгоритм работы ППАС и алгоритмы работы ее отдельных функциональных блоков. Применение данных алгоритмов позволяет ППАС оценить поступающую текущую ситуацию 5, классифицировать и выбрать управляющее воздействие по разрешению негативной ситуации.

6. Разработан алгоритм взаимодействия ППАС с ЛПР и ССУСД, отражающий их совместную работу, а также обеспечивающий ЛПР информацией, необходимой для принятия управленческого решения по устранению негативных ситуаций.

7. Разработаны и предложены специализированные требования по использованию вычислительной архитектуры ППАС, технического и информационного обеспечения, позволяющие повысить производительность и быстродействие ППАС, а также способ визуализации информации для ЛПР, и предложена техническая реализация этого способа.

8. На основании экспериментальных результатов работы ППАС было выявлено снижение количества негативных ситуаций за исследуемый период на 50,7 %, а также полное исключение аварийных ситуаций в выщелачивательном цехе.

9. Ожидаемый экономический эффект от внедрения ППАС за год составил 760 тыс. руб./год на примере выщелачивательного цеха ОАО «Электроцинк» (г. Владикавказ).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Антипов К. В., Хасцаев Б. Д. Разработка алгоритмов работы подсистемы предупреждения аварийных ситуаций в системе управления выщелачи-вательным цехом // Современные проблемы науки и образования (электронный журнал). №1, М., 2013. URL: http://www.science-education.ru/107-8390 (дата обращения: 18.02.2013).

2. Антипов К. В., Хасцаев Б. Д. Разработка подсистемы предупреждения аварийных ситуаций при выщелачивании цинка // Технологии техносферной безопасности: (электронный журнал). №6 (46), М., 2012. URL: http://ipb.mos.ru/ttb/2012-6/2012-6.html (дата обращения 31.12.2012).

3. Антипов К. В. Применение подсистемы предупреждения аварийных ситуаций в системе управления выщелачивания цинка // Устойчивое развитие горных территорий. №2 (16), Владикавказ, 2013. С.57-62.

Публикации в других изданиях:

4. Антгтов К. В. Алгоритмы и визуализация информации, системы управления выбросов соединения серы цинкового производства в предгорных зонах // Материалы VII Международной научной конференции «Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений». Владикавказ, 14-16 сентября 2010г. С. 28.

5. Антипов К. В., Дубинин В. Н. Применение искусственного интеллекта в системах управления выщелачивательного цеха цинкового производства // Труды Северо-Кавказкого горно-металлургического института (государственного технологического университета) Владикавказ, 2011. -№18. С.54-58.

6. Антипов К. В. Система предупреждения аварийных ситуаций в металлургической промышленности // Материалы международного научно-исследовательского журнала, Екатеринбург, 2012. URL: http://research-journal.org/featured/technical/sistema-preduprezhdeniya-avarijnyx-situacij-v-metallurgicheskoj-promyshlennosti/ (дата обращения 11.11.2012).

7. Антипов К. В. Разработка блока визуализации данных для подсистемы предупреждения аварийных ситуаций при выщелачивании цинкового огарка // Материалы Международной научно-практической конференции «Наука XXI века: проблемы и перспективы», Уфа, 29-30 мая 2013г. С.90-92.

Подписано в печать 04.07.13. Формат бумаг и 60х84'/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Печать на ризографе. Усл.п.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 134. Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек».

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).

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

На правах рукописи

04201361176 Антипов Константин Валерьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ (на примере выщелачивательного цеха ОАО «ЭЛЕКТРОЦИНК»)

Специальность: 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Хасцаев Борис Дзамболатович

Владикавказ 2013

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АРМ Автоматизированное рабочее место

АСУ ТП Автоматизированная система управления технологическим процессом

АПО Аппаратно-программное обеспечение

БВ Блок визуализации

БВР Блок выбора решений

БД База данных

БЗ База знаний

БКС Блок классификации ситуаций

БОС Блок оценки ситуации

БОПР Блок обработки предварительных решений

ИО Информационное обеспечение

КИП Контрольно-измерительные приборы

ЛПР Лицо, принимающее решение

ППАС Подсистема предупреждения аварийных ситуаций

ССУСД Система супервизорного управления и сбора данных

СУБД Система управления базами данных

ТДК Требования корректности данных

ти Технологическая инструкция

то Техническое обеспечение

ТЕ Текстовая единица

HMI Human machine Interface/ Человеко-машинный интерфейс

SCADA Supervisory control and data acquisition/Система супервизорного управления и сбора данных

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

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

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ПРОЦЕССА ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЦИНКА И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭТИМ ПРОЦЕССОМ....................................................................................11

1.1. Анализ особенностей и проблем управления в непрерывном процессе выщелачивания цинкового огарка в современных условиях.......... 11

1.2. Анализ состояния и особенностей системы управления технологическим процессом выщелачивания цинка....................................................... 28

1.3. Анализ состояния и тенденции развития существующих автоматизированных систем управления выщелачивания цинка............... 35

1.4. Выбор цели и задач диссертационного исследования .................... 39

1.5. Выводы по главе 1................................................................................. 41

Глава 2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ВЫЩЕЛАЧИВАТЕЛЬНОГО ЦЕХА....................................................... 42

2.1 Исследование и разработка способа инициализации негативных ситуаций ............................................................................................................42

2.2 Разработка функциональной схемы ППАС..............................................49

2.3 Исследование и разработка модели ППАС............................................ 54

2.3.1 Моделирование свойств БОС...........................................................56

2.3.2 Моделирование свойств БКС........................................................... 57

2.3.3 Моделирование свойств БВР........................................................... 58

2.3.4 Моделирование свойств БОПР........................................................ 58

2.3.5 Моделирование свойств БВ............................................................. 59

2.4 Разработка показателей определения эффективности системы управления выщелачивательного цеха ........................................................ 67

2.5 Выводы по главе 2 ......................................................................................69

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА РАБОТЫ ППАС В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ВЫЩЕЛАЧИВАТЕЛЬ-

НЫМ ЦЕХОМ ............................................................................................... 71

3.1 Разработка и исследование алгоритма работы ППАС ..........................71

3.1.1 Разработка алгоритма работы БОС .............................................. 73

3.1.2 Разработка алгоритма работы БКС................................................. 85

3.1.3 Разработка алгоритма работы БВР.................................................. 86

3.1.4. Разработка алгоритма работы БОПР............................................. 88

3.2 Разработка и исследование алгоритма взаимодействия ППАС с ССУСД и ЛПР ................................................................................................................ 90

3.3 Разработка специализированных требований и способа построения ППАС................................................................................................................ 93

3.3.1 Разработка архитектуры ППАС....................................................... 95

3.3.2 Разработка аппаратно-программного обеспечения ППАС ......... 96

3.3.3 Разработка информационное обеспечения ППАС ....................... 98

3.4 Выводы по главе 3 ..................................................................................100

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСОВ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ППАС ............................................................................... 102

4.1 Разработка способа визуализации и практической реализации

ППАС.............................................................................................................. 102

4.2 Определение экономической эффективности от внедрения ППАС .... 106

4.3 Исследование экспериментальных результатов применения ППАС ..108

4.4 Выводы по главе 4 .....................................................................................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................. 113

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Определение и расчет интегрального показателя

эффективности системы управления выщелачивателыюго цеха......115

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акты внедрения .......................................................120

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................... 123

ВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Повышение качества производимого цинка и снижение затрат на его производство в современных условиях нестабильной мировой рыночной экономики является приоритетной задачей предприятий по производству цинка, так как в итоге высокое качество производимого цинка в совокупности с его низкой стоимостью делает предприятие высококонкурентным на рынке.

Однако для того, чтобы конкурировать на рынке, российским цинковым производствам необходимо: производить качественный цинк соответствующий требованиям ГОСТа 3640-94 [4], выявлять и уменьшать издержки производства, привлекать высококвалифицированный персонал.

Это стало возможным благодаря внедрению современных информационных технологий, усовершенствованию производственно-технической базы, улучшению условий труда персонала на предприятиях. Также важно отметить тот факт, что после недавнего вступления России в ВТО к предприятиям будут предъявляться требования на соответствие ГОСТ Р ИСО 14004-2007 [5], и ужесточать требования безопасности на опасных промышленно-производственных объектах по контролю за безопасностью окружающей среды в соответствии с положениями Федерального закона №7 от 10.01.2002г. «Об охране окружающей среды», Федерального закона №116 от 21.07.1997г. «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [11,13], а также Закона Республики Северная Осетия-Алания о "Об охране окружающей среды"[25].

Вышеизложенное вынуждает российские предприятия внедрять в производство новое оборудование в совокупности с современными информационными технологиями и техническими средствами в производство цинка для эффективного управления как всего производственного процесса, так и

отдельных его участков, что позволит получать качество цинка марки SHG (Special High Grade).

Одним из показателей эффективности работы предприятия является безопасность производства и труда. Принимая это во внимание, а также сложность технологического процесса, частично высокую степень износа оборудования, низкий уровень автоматизации на производстве, малое количество квалифицированного персонала, в производство внедряются современные контрольно-измерительные приборы (КИП) и исполнительные механизмы, средства передачи данных и информационные системы для мониторинга, контроля и управления технологическим процессом в режиме реального времени.

Тем не менее, несмотря на внедрение современных информационных систем, по-прежнему, последнее слово в управлении остается за человеком, поэтому важнейшим этапом в процессе производства является принятие эффективного и оперативного решения. Однако, разнообразие существующих информационных систем не позволяет добиться сочетания высокой эффективности управления и стабильности всех технологических параметров производственного процесса.

В современных условиях особенно важно принимать верные решения при управлении производственным процессом на металлургическом предприятии, особенно в случаях отклонений от установленного режима технологического процесса (то есть выхода за нормативно- и предельно-допустимые границы параметров в работе агрегатов и составе сырья на всех участках производства). Иначе, если верное решение не будет принято вовремя, это может привести к возникновению крайне не желательных последствий, а как следственно к снижению количества и качества получаемого металла (с нормативно установленным химическим составом).

Современные ГОСТы (ГОСТ Р 22.9.03-95, ГОСТ Р 22.9.01-95, 22.8.0599 и т.д.) нацелены на ликвидацию последствий от уже наступивших нега-

тивных ситуаций и аварий, а в условиях того, что процесс получения цинка производится на объекте относящемуся к категории "Опасные производственные объекты" (в соответствии с Ф3№116) [11], существует необходимость предупреждения и недопущения возникновения аварий и аварийных ситуаций.

В связи с этим возникает необходимость разработки методов и алгоритмов обработки информации для системы управления производственным процессом, на основе которых ЛПР способен оперативно принимать эффективное управленческое решение и воздействовать на ход производственного процесса. Это, в свою очередь, позволит:

- повысить безопасность и производительность труда на предприятии;

- снизить себестоимость цинка, за счет снижения затрат на энергоресурсы, проведение ремонтно-восстановительных работ и т.д.;

- повысить рейтинг предприятия на российском и международном рынках.

Таким образом, целыо диссертационной работы является исследование и разработка методов и алгоритмов обработки информации, а также принципов построения подсистемы обработки информации для предупреждения аварийных ситуаций (ППАС) выщелачивательного цеха металлургического предприятия.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Исследование технологического процесса выщелачивания цинка и существующих систем управления процессом выщелачивания цинка.

2. Разработка метода инициализации и способа визуализации решения негативных ситуаций технологического процесса выщелачивания цинка.

3. Разработка структуры и модели системы управления выщелачивательного цеха с ППАС.

4. Разработка алгоритма функционирования и принципов построения ППАС.

Объектом исследований в работе являются современные системы управления и обработки технологической информации и принятии решения при управлении выщелачивательным цехом цинкового производства.

Предметом исследований в работе являются методы и алгоритмы работы систем управления и обработки технологической информации при управлении выщелачивательным цехом цинкового производства.

Методы исследования. Решение поставленных задач базируется на комплексе научных методов, включающих системный анализ, анализ риска опасных промышленных объектов, экономико-статистический анализ, теории принятия решения.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложен критерий в виде расчетного коэффициента критичности, отражающего наиболее вероятностные изменения технологических параметров и сбоев оборудования.

2. Разработана алгоритмическая модель производственного процесса, определяющая участки и основные технологические параметры, влияющие на возникновение аварийных ситуаций.

3. Предложены алгоритмы обработки информации в ППАС выщелачи-вательного цеха и разработана структурная схема этой подсистемы, обеспечивающие снижение числа негативных ситуаций на производстве цинка.

4. Разработан графический способ визуализации информации, необходимой ЛПР для оперативного воздействия на негативные ситуации, а также аппаратно-программное обеспечение ППАС.

Практическая значимость диссертационной работы:

1. Предложенный способ определения возможных негативных ситуаций и алгоритмы обработки информации применимы не только в выщела-чивательном цехе, но и в других цехах металлургических предприятий.

V Ч

2. Разработанные методы по обеспечению безопасности и снижению количества аварийных ситуаций имеют важное практическое значение для организации безаварийных производств.

3. Предложенные в работе способ инициализации и способ визуализации негативных ситуаций применимы во многих предприятиях металлургической промышленности для повышения эффективности производства и безопасности труда.

Реализация и внедрение результатов. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ОАО "Электроцинк" (г.Владикавказ).

Реализация результатов обеспечивает экономический эффект за счет снижения возникновения негативных ситуаций в выщелачивательном цехе и соответствующего уменьшения затрат на ремонтно-восстановительные работы. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы в выщелачивательном цехе по производству цинка составляет 760 тыс.руб. в год на примере ОАО "Электроцинк" (г.Владикавказ).

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются экспериментальными результатами, полученными от внедрения разработанной ППАС в ОАО "Электроцинк".

Апробация диссертационной работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных НТК СКГМИ (ГТУ), научных семинарах кафедры промышленной электроники, кафедры организации производства и экономики промышленности СКГМИ (ГТУ) (2009-2012гг.), а также на следующих международных, всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях: VII Международная научная конференции / Устойчивое развитие горных территорий в условиях глобальных изменений, 14-16 сентября 2010г. г.Владикавказ; Международная научно-практическая конференция "Молодые ученые в решении актуальных проблем науки" г.Владикавказ 2010г.;

Всероссийский молодежный образовательный Форум «Селигер-2011», секция «Инновации и техническое творчество» (Тверская область, 2011).

Личный вклад автора. Основные научные положения, выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.

Публикации. По теме диссертации публиковано 7 печатных работ, в том числе 3 работы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ для публикации основных научных результатов диссертационной работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ПРОЦЕССА ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЦИНКА И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭТИМ ПРОЦЕССОМ

1.1 Анализ особенностей и проблем управления в непрерывном процессе выщелачивания цинкового огарка в современных условиях

Все применяемые в мировой практике гидрометаллургии цинка технологические схемы для выщелачивания обожженного концентрата и возгонов различаются тремя основными особенностями: способом выщелачивания (непрерывный или периодический), количеством стадий (одно-, двух- и трехстадийные схемы) и кислотным режимом (концентрацией серной кислоты в растворе).

Большинство предприятий по производству цинка предпочитают использовать гидрометаллургический способ получения цинка в отличии от пирометаллургического, так как происходит более полное извлечение металлов, а также механизация трудоемких процессов, что улучшает условия труда. Схема технологического процесса производства цинка, представленная на рисунке 1.1, заключается в предварительном обжиге цинковых концентратов с последующей обработкой получаемого огарка слабым раствором серной кислоты с переводом цинка в раствор в виде сернокислой соли и электролитическом выделении металлического цинка из очищенных сульфатных растворов. Полученный катодный цинк переплавляется в электропечах и разливается в изложницы. Из схемы видно, что центральным звеном в гидрометаллургическом производстве цинка является процесс выщелачивания.

Главной целью процесса выщелачивания цинкового огарка является возможно более полное извлечение в раствор цинка и других полезных компонентов сырья при минимальном загрязнении раствора вредными примесями [1,48]. От него в значительной мере зависят технико-экономические

показатели всего предприятия: извлечение металла в раствор, расход энергоресурсов, а, следовательно, и себестоимости цинка. Эта зависимость, главным образом определяется тем, что выщелачивательный цех выполняет одну из центральных задач в процессе производства цинка, как представлено на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1- Схема технологического процесса цинкового производства.

Однако, в гидрометаллургии цинка под переделом «выщелачивание» подразумевают определенную совокупность и последовательность ряда производственных операций, характеризующихся непрерывностью и нестабильность параметров на всех участках производства.

Последовательность операций при выщелачивании цинка можно представить