автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Комплексное моделирование и автоматизация контроля теплового состояния доменной печи

На правах рукописи

Лазичев Андрей Александрович

КОМПЛЕКСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2004

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Научный руководитель - Доктор технических наук профессор

Дмитриев Вячеслав Михайлович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук профессор

Бондаренко Владимир Петрович

Доктор технических наук профессор Кошелев Александр Евдокимович

Ведущая организация - Томский политехнический университет

Защита состоится «25» ноября 2004 года в 17°° часов на заседании диссертационного совета Д212.268.02 Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634043 г. Томск, ул. Вершинина 74.

Автореферат разослан «21 » октября 2004 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.268.02 доктор технических наук

А.Я. Клименко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Высокая оснащенность современных доменных печей средствами автоматизации требует разработки специализированного программного обеспечения. Опыт работ специалистов в данной области показывает, что уровень автоматизации конкретной доменной печи (ДП) определяется не числом реализованных систем, а их функциональным содержанием и системы автоматизации ДП должны иметь в своем составе набор элементов, позволяющих выполнять автоматизацию доменного процесса в целом.

Одной из наиболее существенных характеристик доменного производства является специализация по отдельным технологическим подсистемам и сопутствующая ей координация работ. Поэтому наиболее естественным подходом к декомпозиции системы управления доменным процессом является разделение по основным структурным элементам, составляющим технологический комплекс доменной печи. В данной работе рассматривается автоматизация одного элемента технологического комплекса ДП - контроль теплового состояния (ТС). Важность данной задачи обуславливается, прежде всего, следующими двумя причинами.

Во-первых, тепловое состояние доменной печи является одним из основных факторов, оказывающих существенное влияние практически на все технико-экономические показатели доменного производства чугуна. Во-вторых, не менее существенное влияние тепловое состояние горна и других частей доменной печи оказывает и на производственную, социачьную и экологическую безопасность эксплуатации доменной печи, а также на длительность межремонтных периодов.

Согласно Ю.П. Волкову, оценить тепловое состояние ДП можно по внешним (физический нагрев, химический состав чугуна и шлака) и внутренним (распределение газового потока, плавность скорости схода шихты, степень использования СО, Н2 и т.п.) признакам. С другой стороны, согласно М.А. Климовицкому и А.П. Копеловичу, тепловое состояние горна можно оценить по температуре фурменных зон.

Существует только два способа управления ТС: "сверху" (через систему загрузки, путем распределение шихтовых материалов в горне) и "снизу" (через систему дутья, управляя газовым потоком). Первоочередной и важнейшей задачей управления технологическими процессами плавки чугуна в ДП является обеспечение ее ровного хода -состояния, которому присущи следующие особенности:

1. Распределение скорости схода шихты в любом горизонтальном сечении доменной печи с течением времени не изменяется.

2. Распределение шихтовых материалов и газового потока по го-

ризонтальным сечениям доменной печи не изменяются во времени, при этом использование химической и тепловой энергии газового потока является максимальным, а расход кокса и вынос колошниковой пыли имеют минимальные для данных условий плавки значения.

3. Тепловое состояние ДП является стационарным и обеспечивает получение чугуна с заданными физико-химическими свойствами.

4. Толщина гарниссажного покрытия внутренней стенки ДП во всех ее точках имеет такие значения, которые обеспечивают постоянство рабочего профиля печи и его сохранность при эксплуатации.

Названные особенности характеризуют работу различных систем ДП для обеспечения ее ровного хода. Поэтому для решения задачи прогнозирования поведения ДП и контроля ее теплового состояния требуется проводить комплексное моделирование, так как от достоверности результатов моделирования зависит корректность работ по созданию автоматизированной системы управления (АСУ), в том числе и для контроля теплового состояния ДП.

Второй задачей внедряемых средств автоматизации ДП является задача обучения технического персонала или повышение его квалификации. Данная задача не утрачивает своей актуальности, так как до сих пор не возможно выполнить полную автоматизацию ДП в виду сложности данного объекта, большой его инерционности, стохастического характера протекающих в ДП процессов, нелинейностью связей между входными и выходными параметрами и др.

Цель работы. Разработать методики стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур для комплексного исследования и автоматизации контроля теплового состояния доменной печи и, на основе разработанных методик, создать комплекс программ.

Объект исследования. Алгоритмы комплексного моделирования для автоматизации контроля теплового состояния доменной печи.

Задачи исследования:

1. Сформулировать основные принципы построения методики стратифицированного моделирования разнородных процессов для комплексного изучения теплового состояния доменной печи.

2. Определить принципы построения реально-виртуальных структур для обеспечения совместимости и интеграции моделей подсистем доменной печи в единую модель.

3. Разработать алгоритмы автоматизации контроля теплового состояния доменной печи, на основе предложенных методик.

4. Создать комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов (СМРП).

Теоретические основы выполнения работы. Реализация поставленных задач осуществляется с использованием системного подхода, на основе применяемых в настоящее время наиболее эффективных программных средств (СЛ8Е-технологий, средств визуального программирования и т.д.) и на основе теории сложных систем (М. Месарович, В.П. Авдеев, Б.С. Флейшман, Н.П. Бусленко, И.Н. Коваленко, И.В. Максимей, А.А. Вавилов, О.И. Авен, В.М. Дмитриев и др.).

Научная новизна:

1. Методика стратифицированного моделирования разнородных процессов для контроля и управления тепловым состоянием ДП, опробованная в ОАО Кузнецкий металлургический комбинат. .

2. Новая методика и алгоритмы построения реально-виртуальных структур, примененные на доменной печи и позволяющие охватить для моделирования абстрактные и реальные модели подсистем.

3. Впервые разработан комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, на базе предложенных методик и алгоритмов.

Практическая ценность. Предложенные методики и алгоритмы развивают теорию моделирования, позволяют выполнить комплексное исследование и автоматизацию контроля теплового состояния доменной печи, увеличивая адекватность моделей реальным подсистемам. Использование реально-виртуальных структур позволяет снизить затраты времени и средств на создание адекватных моделей, обеспечивает совместимость подсистем, а совместно со стратифицированным моделированием разнородных процессов, позволяет расширить класс объектов моделирования, повысить уровень автоматизации ДП. Разработанный комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, позволяет практически использовать предложенные методики для решения широкого круга задач на ДП.

Защищаемые положения:

1. Методика и алгоритмы стратифицированного моделирования разнородных процессов, позволяющие комплексно представить модели теплового состояния доменной печи на трех уровнях: алгоритмическом, математическом и комбинационном.

2. Методика и алгоритмы построения реально-виртуальных структур для решения задач совместимости и интеграции моделей объекта управления (ОУ) и системы управления (СУ), позволяющие исследовать подсистемы ДП, представленные совокупностью абстрактных и реальных моделей.

3. Комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, реализующий предложенные методики модели-

рования, в форме законченного программного продукта.

Реализация результатов. Результаты исследований и доведенные до инженерного уровня реализации методик и алгоритмов внедрены в ОАО "Кузнецкий металлургический комбинат", на кафедре теоретических основ электротехники (ТОЭ) ТУСУР и в НИИ Автоматики и электромеханики при ТУСУР.

Апробация работы и публикации. Основные теоретические результаты, а также результаты прикладных исследований и разработок, докладывались и получили одобрение на международных и региональных конференциях, публиковались в сборниках трудов и в центральной печати: 7 статей (в том числе 4 в центральной печати: журнал "Приборы и Системы: Управление, Контроль, Диагностика"), 6 тезисов докладов (в том числе один на международной конференции: Международная НТК "Измерение, Контроль, Информатизация - 2001", Барнаул). На предложенные методики, разработанные алгоритмы и программные модули получено четыре свидетельства об отраслевой регистрации разработок.

Достоверность полученных результатов обеспечивается исходными теоретическими, методологическими и практическими данными исследований, апробацией результатов, эмпирическим исследованием функционирования разработанного комплекса программ.

Личный вклад автора. Постановка задач исследования (совместно с руководителем), разработка концептуальных положений предложенных методик комплексного исследования и автоматизации управления ТС ДП, проведение обзорных и теоретических исследований, доведение разработок до инженерных решений, конкретных алгоритмов, комплекса программ СМРП, проведение экспериментальных исследований, интерпретация полученных результатов.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 134 страницы основного текста, 63 рисунок, 100 использованных источников и 16 приложений.

Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором, сотрудниками кафедр ТОЭ, КСУП и ПМиИ ТУСУРа, а также при содействии метрологического отдела Кузнецкого металлургического комбината и 13го отдела НИИ АЭМ. Теоретические и практические результаты, изложенные в работе, в основном получены автором.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении представлены основные предпосылки, определяющие необходимость данной работы. Показана актуальность работы. Сфор-

мулирована цель, определены структура и общая характеристика диссертационной работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе показана актуальность создания методик стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур для комплексного исследования и автоматизации управления ТС ДП, выделены основные решаемые задачи, описываются новизна, теоретическая и практическая значимости работы.

Отправной точкой в разработке методик комплексного исследования и автоматизации контроля ТС ДП являлась теория иерархических многоуровневых систем (или теория стратификации), описанная М. Месаровичем, Д. Мако и И. Такахара в начале 70х годов. Одно из направлений развития теории стратификации заключается в представлении рассматриваемого объекта совокупностью реальных (натурных или физических) и абстрактных моделей. Об организации связи между абстрактной моделью и реальной системой еще в 70х годах говорили многие ведущие ученые. Так чл.-корр. АН СССР В.А. Венников пишет: "Именно такой путь наиболее перспективен". Наибольшее развитие данный подход получил в работах В. П. Авдеева Л.П. Мышляева и др., связанных с применением натурно-математического моделирования. Область применения натурно-математического моделирования ограничена системами, использующими последовательное включение математических моделей и натурных систем. Однако доменная печь, как сложная система, включает в себя процессы, для исследования которых требуется применять любые способы организации взаимодействия между реальными системами и математическими моделями.

Реально-виртуальныеструктур ы (РВС)

Все модели систем можно классифицировать по различным признакам. Один из вариантов классификации заключается в разделении моделей на реальные (натурные или физические) и абстрактные (или,

применительно к компьютерному моделированию, виртуальные, согласно определению по ГОСТ 1597190). Для комплексного исследования Рисунок 1-Графическое представление и автоматизации контроля ТС ДП мюжялва мэдетей было предложено использовать реально-виртуальные структуры. Если через множество Я представить реальные модели сложных систем, через множество V - виртуальные модели, а М - множество всех моделей сложных систем, то множество реально-виртуальных структур (множество 8) можно графически представить рисунком 1. Дадим определение: реально-виртуальной

структурой называется некоторое программное или программно-аппаратное решение, позволяющее объединить реальное и абстрактное моделирование с целью комплексного анализа и автоматизации заданного объекта.

В качестве примера можно привести задачу по созданию системы

контроля и управления сетью контроллеров доменной печи №5 (рисунок 2) Кузнецкого метал-

а)

б)

Снстеш контроля и утфшккня контроллерами ДП

Персотлъиый компьютер

Модель системы сбора информации »«управления процессами ДП

Доменная печь

Контроллеры ДП

Рисунок 3 - Система контроля и управления контроллерами ДП №5 КМК:

а) при испольэоважн виртуальных контроллеров,

б) на базе контроля еров доменной печи.

Персональный компьютер I лургического комбината (КМК).

На печи установлено четыре контроллера, с которых за сутки поступает около 285 Мбайт технологических данных, причем информационный поток распределен неравномерно во времени. Решение поставленной задачи обусловлено следующими особенностями:

1. Проведение отладки контроллеров прямо на производственной линии может повлечь нарушение функционирования, перебои в работе, увеличение брака или появление случаев травматизма обслуживающего персонала.

2. Исключение контроллеров из производственного процесса невозможно, так как приведет к прекращению функционирования ДП.

Решение данной задачи - применение виртуальных контроллеров, которые эмулируют работу различных систем ДП. На рисунке 3 представлены два способа организации системы контроля и управления контроллерами: разрабатываемая программа взаимодействует с виртуальными контроллерами (см. рис. За) и контроллеры представляются реальными моделями (см. рис. 36). Таким образом, применение РВС в моделировании позволит: расширить круг объектов моделирования,

увеличить адекватность модели исходной системе, снизить затраты времени и средств на создание модели и моделирование.

В отличие от натурно-математического моделирования РВС можно применять в случаях, когда требуется использовать различные алгоритмы моделирования в рамках одной модели исследуемого объекта на PC. Кроме того, РВС реализовано на основе языка компонентных цепей, что, в отличие от натурно-математического моделирования, позволяет снизить время разработки моделей.

Стратифицированноемоделированиеразнородных процессов

Любую подсистему ДП можно представить взаимодействиями трех типов: информационными, энергетическими, материальными и их конъюнкциями. Каждое взаимодействие обусловлено соответствующими типами потоков данных. Рассмотрим работу автоматизированной системы загрузки, а точнее двух ее подсистем - сипа и вагона-весов, в задачи которых входит доставка в загрузочное устройство колошника требуемых материалов. Сначала подается команда перемещения, т.е. поступает информация: что сделать и как. Затем система управления запускает электродвигатели (подавая на энергию) для перемещения скипа или вагона-весов в нужное положение, механически воздействуя на подвижные части. Процесс перемещения, при этом, отслеживается специальными датчиками, передающими информацию о положении в систему управления. В зависимости от задач моделирования, можно пренебрегать некоторыми из названных взаимодействий (если их влияние, например, мало), как было показано Бриллюэном.

В качестве данных СУ скипа и вагона-весов выступают пространственные координаты положения, команды управления и другие данные информационного плана. Поэтому, предложено выделить алгоритмический уровень. Моделирование на данном уровне может быть выполнено с помощью GPSS Word, UML, Simulink и др. Для исследования процессов, в электрических двигателях, и изучения моментов инерции, требуется построение совершенно иной модели (модели ОУ), элементы которой описываются математическим способом. Данный уровень назовем математическим. Моделирование на данном уровне производится с помощью таких систем моделирования, как Modélica, Workbench, МАРС и др. Однако для построения наиболее адекватных моделей следует выполнять моделирование, как на алгоритмическом уровне, так и на математическом. Возможность совместного использования моделей алгоритмического и математического уровней позволит качественно по иному исследовать поведение системы. Поэтому предложено ввести дополнительный уровень, который назовем комбинационным уровнем. При моделировании на этом уровне следует вводить

некоторые согласующие элементы, позволяющие корректно преобразовывать информацию в физический сигнал и обратно.

Автоматизация контроля теплового состояния доменной пени Тепловое состояние доменной печи является одним их наиболее "тонких" мест доменного производства, так как от него зависит не только качество выпускаемого чугуна, но и сохранность самой доменной печи (срок ее службы), поэтому система автоматизации контроля ТС ДП должна включать в себя:

• непосредственно подсистему контроля ТС ДП с выводом технологической информации мастеру печи;

• подсистему прогнозирования ТС ДП с выходом на технологическую инструкцию;

На основе схемы аппаратной организации системы автоматизации контроля ТС ДП (см. рис. 4) и применяя предложенные методики можно реализовать названные функции, путем создания соответствующих моделей. Однако комплексная автоматизация ДП предполагает использование единого инструментария, т.е. следует разработать некоторое средство, автоматизирующее процесс создания моделей ДП для решения задач различного рода, будь то обучение персонала, система прогнозирования и т.д.

Анализ программных систем исследования и автоматизации Для исследования эффективности организации АСУ, автоматизации научных исследований и производств, используются специальные программные средства. Наибольшую известность получили следующие системы: GPSS Word, UML, Simulink, VHDL-AMS, Stratum 2000, SINPROC, Modélica, Workbench. Для полной характеристики систем моделирования, а также для их сравнения будем оценивать следующие признаки, раскрывающие как внутренние, так и внешние особенности:

• назначение (или тип) системы;

• работа с моделями, включающая используемый язык, способ по-

• функции обучения персонала.

Рисунок 4 - Система автоматизации контроля

строения моделей, возможности расширения стандартных функций и библиотек, типы данных, с которыми работают модели и их особенности;

• операционная система, в которой может работать рассматриваемое программное средство;

• характеристика пользовательского интерфейса.

Обзор и сравнительный анализ основных характеристик существующих систем показал, что наиболее эффективными средствами моделирования в настоящий момент являются: RationalRose, МАРС и Stratum. Однако эти системы не позволяют выполнить комплексные исследования и автоматизацию контроля ТС ДП в соответствии с предложенными методиками, поэтому встает вопрос о разработке нового программного средства. Данное средство назовем комплексом программ стратифицированного моделирования разнородных процессов (КП СМРП). В состав КП СМРП входят следующие составные части:

• система исследования моделей математического уровня (можно адаптировать и использовать среду моделирования МАРС);

• система исследования моделей алгоритмического уровня (следует разработать комплекс программ моделирования информационных потоков (КМИП));

• система организации межуровневвк взаимодействий (механизмы реализуются как в КМИП, так и вносятся в МАРС).

Использование комплекса программ СМРП на ДП повысит эффективность и уровень автоматизации процесса выплавки чугуна, т.к. позволит динамически отслеживать взаимовлияние частей различных уровней при контроле ТС ДП, влияние изменений в них как на ДП в целом, так и друг на друга.

Вторая глава посвящена анализу предложенных методик и алгоритмов комплексного моделирования. Сформулированы требования, предъявляемые к ним. На основе изложенный требований ввфаботанв1 принципы организации реально-виртуальнвк структур моделей и комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов.

Реально-виртуальные структуры

При создании методики построения РВС решались задачи:

1. Представление подсистем ДП абстрактными моделями.

2. Использование в структуре абстрактной модели исходной системы согласующих элементов, позволяющих включать реальные модели подсистем, применение которых ранее не представлялось возможным.

3. Обеспечить взаимодействие между абстрактными моделями и согласующими элементами, отображающими реальные модели подсистем.

Для всестороннего описания любой подсистемы должны быть заданы три основных множества: множество X значений входной величины х; множество У значений выходной величины у; множество Q значений переменных состояния д, на базе которых можно записать отображения:

чМч'«,«))

у(1)=Х'(Ч*(1о),г(х(т))), Хо&<1,

4=4

где

5* ♦

ч

У х г Ч

переходное отображение реальной модели; отображение выхода реальной модели; переменные состояния реальной модели; выходные величины; входные величины;

переходная функция реальной модели подсистемы; переменные состояния структуры отображения; - интервал времени, на котором известны изменения входных величин.

Структурой отображения реальной модели (СОРМ) будем называть проекцию реальной модели подсистемы на множество абстрактных моделей, оформленную в виде специального элемента и предназначенного для включения реальной модели подсистемы в модель

сложной системы. СОРМ не является моделью, а представляет собой некоторое программное или программно-техническое решение, позволяющее создать связь с реальной моделью каналом, по которому передаются данные с датчиков (см. рис. 5). В число особенностей СОРМ входят:

1. Наличие постоянной связи с реальной моделью подсистемы ДП.

2. Наличие специального механизма для организации процессов передачи данных между абстрактными и реальными моделями подсистем, обеспечивающих их однозначное восприятие.

3. СОРМ является проекцией реаль-

ной модели подсистемы на множество абстрактных моделей, представленная "черным ящиком".

Для функционирования СОРМ должна существовать по крайней мере одна из функций обмена данными с реальной моделью:

Х=Б(Х) У=Р'(У),

где X X' Y

множество передаваемых в реальную модель параметров; множество входных параметров реальной модели; множество значений, возвращаемых в абстрактную модель системы из подсистемы; Y' - множество выходных значений реальной модели; F и F' - функции передачи данных.

Эти функции могут быть реализованы как с использованием специально разработанных систем сбора данных, так и широко распространенных интерфейсов СОМ-порт, шины ISA и PCI, USB и др.

Методика стратифицированногомоделирования Рассмотрим процессы различных уровней. На алгоритмическом уровне происходит обмен потоками информации, а на математическом определяются зависимости взаимовлияния компонентов друг на друга. Под моделью компонента в дальнейшем будем понимать некоторую алгоритмическую последовательность действий или математическую

функцию, позволяющую преобразовать входные данные в выходные. В качестве примера моделирования с помощью стратифицированного мо-I делирования можно привести задачу обучения технического персонала ДП, подразделяющуюся на две подзадачи: моделирование учебного процесса и непосредственная работа с моделью заданной системы ДП (см. рис. 6). Здесь используются информационная и математическая составляющие, позволяющие реализовать в одной модели ДП модели подсистемы разного типа (для этого используются согласующие элементы N и N2). Отношения между уровнями методики стратифицированного моделирования разнородных процессов и отно-

шения, сформулированных Флейшманом, в данном случае, тождественны.

Основная трудность в построении комплексных моделей систем в настоящее время видится в создании моделей одного и того же объекта на разных уровнях предложенной методики. Суть проблемы определяется следующими исходными положениями:

1. Модели разных уровней описывают один и тот же объект, следовательно, отклики на одинаковые входные воздействия у моделей разных уровней должны быть одинаковыми.

2. Специфические характеристики и параметры подсистем существуют на каждом уровне и одинаково воздействуют на систему в целом.

3. При переходе между уровнями характер, типы связей между компонентами и сами компоненты изменяются. .

В работе предложено три решения данной проблемы, которые планируется выполнить в будущих работах. Первое решение - разработка моделей разных уровней исследователем. Второй способ решения заключается в использовании методов индуктивного автоматического подбора моделей. В этом случае разработчиком модели исходной системы создается модель самого нижнего уровня - математического, а модели верхних уровней формируются программно, используя для этого, например, численные алгоритмы аппроксимации. Третий способ заключается в использовании дедуктивного построения моделей, т.е. создается модель самого верхнего уровня - алгоритмического, а затем создаются ее наполняющие и уточняющие модели остальных уровней. В данном случае имеется задача автосинтеза, которая является актуальной в настоящее время, т.к. фактически не решена.

Построениемодели исследуемого объекта

Построения моделей исследуемого объекта на разных уровнях заключается в применении компонентного подхода, предложенного Бус-ленко. В качестве базового языка моделирования возьмем язык компонентных цепей, предложенный В.М. Дмитриевым. Создаваемый язык моделирования будет описывать исходный объект следующим образом. Компонентная цепь Ск, соответствующая моделируемой системе, задается совокупностью объектов:

где

С'к -компонентная цепь 1-го уровня моделирования (1=1 для математического уровня; 1=2 для алгоритмического уровня и 1=3 для комбинационного уровня); К1 - компонент цепи 1-го уровня моделирования;

В - множество связей между компонентами одного уровня, называе-

мых также ветвями цепи; N - множество узлов цепи, т.е. общих точек связей компонентов; W - множество внешних воздействий.

В третьей главе рассмотрено создание комплекса программ моделирования информационных потоков, алгоритмов, положенных в его основу и способы организации взаимодействия КМИП и среды моделирования МАРС для организации комплекса программ СМРП. Анализ комплекса программ СМРП

Для проектировании комплекса программ воспользуемся правилами и принципами структурного подхода к проектированию программных средств: создаются функциональные диаграммы и диаграммы потоков данных на основе которых создается программный продукт. В качестве языка реализации был выбран C++ и среда разработки Microsoft Visual Studio. Модули комплекса программ взаимодействуют друг с другом посредствам технологии COM (Component Object Model). Совокупность интерфейсов и правил КМИП, по Рисунок 7-КМИП и его взаимодействие с сути, формирует язык модели-пользователем рования. В основе КМИП лежат следующие принципы:

• наглядность и гибкость при создании и представлении модели;

• модульный подход к построению комплекса программ СМРП;

• комплекс программ СМРП для пользователя представлен единым инструментом;

• скорость работы и экономия ресурсов операционной системы;

• единообразие способов ввода моделей разных уровней;

• корректная работа с моделями разных уровней;

• возможность одновременного использования всех уровней;

• единообразные механизмы работы с параметрами компонентов;

• единообразные механизмы расширения возможностей.

На основе этих принципов можно построить структуру КМИП, как показано на рисунке 7. Язык описания модели предназначен для по-

вышения универсальности системы, т.е. снимает ограничение на способ ввода модели исследуемого объекта. Интерпретатор формального представления модели преобразует команды языка описания модели в вызовы соответствующих функций менеджера схемы. Моделирующее ядро используется для выполнения процесса моделирования во времени. Библиотека элементов является хранилищем компонентов на диске и предоставляет их список пользователю.

Менеджер схемы модели отвечает за построение и хранение модели в памяти компьютера. Редактор графического представления модели - средство графического ввода модели. Редактор формального

представления модели - средство командного ввода модели, использующее древовидное представление команд.

Функциональную модель КМИП можно представить схемой, изображенной на рисунке 8а. На схеме изображены функции спроектированного комплекса программ и исполняющие эти функции механизмы в соответствии с обозначениями структурного подхода. Для определения направлений потоков данных в проектируемом КМИП используются специальные схемы - диаграммы потоков данных (см. рис. 86). В структуре комплекса программ можно выделить две внешние сущности: пользователь и редактор схемы модели, между которыми осуществляется обмен данными.

Для повышения отказоустойчивости разрабатываемого комплекса программ было предложено разделить его на две части (рисунок 9). Первая часть, взаимодействует с редакторами схемы модели и отвечает за работу с библиотекой компонентов, также выполняет функции интерпретатора языка формального представления модели. Эта часть

Адресное пространство редагтор^ ¡Адресное пространство! оформлена В ВИДе

встраиваемого (in-proc) сервера (DLL-файла). Вторая часть отвечает за хранение схемы модели, управляет временем жизни компонентов и выполняет функции моделирующего ядра. Эта часть представлена локальным (local) сер-

схемы модели ( моделирующего *дрз£

ISchManager

1—

ц.

и b Я с а а « _

5 X « и

V. 2 г

□ 1У

Моделирующее

ядро

Лошьиын cepeepj

Рисунок 9 - Внутренняя структура КМИП

вером (ЕХЕ-файлом).

Основная проблема при создании комплекса программ СМРП заключалась в организации комбинационного уровня. При исследовании моделей данного уровня требуется организовать механизм преобразования данных для организации функционирования модели в целом, т.е. объединить КМИП и МАРС. Реализованный в комплексе программ СМРП вариант организации межуровневого взаимодействия основан на использовании реально-виртуальных структур, как показано на рисунке 10.

Организациямодели исследуемого объекта

Модель исследуемого объекта строится из компонентов, которые по типу срабатывания подразделяются на следующие группы: избира-

тельной обработки (преобразование входных данных в выходные происходит при изменении данные хотя бы на одном из входов); временной обработки (задается временной интервал преобразования данных); событийной обработки (наличие управляющих входов обуславливает моменты преобразования входные данные в выходные); пакетной обработки (преобразование данных осуществляется при изменении данных на всех входах). Тип срабатывания компонентов указывается при их создании. Наличие специальных параметров: параметров-констант и параметров-переменных, позволяет выполнять параметрическое исследование модели в ходе модельных экспериментов. Для отображения параметров компонентов используется специальный механизм, организованный на базе страниц свойств (Properties Pages) Windows. Две страницы компонента встраиваются автоматически и представляют графическое изображение компонента и его параметры-переменные и параметры-константы. Для отображения дополнительных данных, присущих данному компоненту, пользователь создает свои страницы свойств. Для создания компонентов используются специальные макросы, позволяющие просто создавать новые компоненты.

Библиотека компонентов представлена СОМ-объектом, имеющий интерфейс ILibManager - менеджер библиотеки компонентов, в функции которого входит: управление структурой библиотеки компонентов, регистрация компонентов в библиотеке и их удаление из нее, предоставление списка зарегистрированных компонентов и списка разделов библиотеки компонентов.

Для организации связей между компонентами используются специальные СОМ-объекты, названные узлами, назначение которых заключается в организации топологии модели, передачи данных между компонентами схемы и преобразование этой информации к типу, воспринимаемому компонентом. Доступны следующие виды соединений между компонентами в схеме модели с использованием узлов: один вход и несколько выходов, один выход с одним входом

В зависимости от того, с какими типами данных модели работает моделирующее ядро, реализуются разные механизмы передачи данных между компонентами. Когда отработала функция компонента (Execute), сформированные выходные данные передаются соответствующим пинам. Затем пины передают полученные значения соединенным с ними узлам, используя метод Translate, интерфейса ICntPoint узла. Метод Translate выполняет преобразования данных (если это требуется) и передает значения дальше по схеме модели соединенным узлам или пинам других компонентов.

Менеджер схемы модели предназначен для создания и хранения компонентов, изменения топологии схемы модели, сохранения в файл и загрузки из файла ранее введенной схемы модели. Программная реализация менеджера схемы состоит из двух частей (см. рис. 9): первая (ISchManager) размещается в DLL как встраиваемый сервер и предназначена для организации взаимодействия с редакторами схем и транслятором языка описания модели; вторая (ISchManagerEx) находится в локальном сервере (ЕХЕ), и отвечает непосредственно за создание схемы модели и работу с моделирующим ядром. Такое разделение позволяет повысить устойчивость работы КМИП.

Каждая модель имеет свои особенности:

• для обращения к заданному компоненту в системе должен существовать список всех созданных в памяти компонентов;

• компоненты могут быть сгруппированы по определенным признакам (составляют макрокомпонент, моделируют подсистему и др.);

• имеют ряд специфик, которые должны учитываться при работе с компонентами;

• существуют ограничения на соединения между компонентами.

Учесть эти особенности, можно введя понятие домена. Домен -

специальный СОМ-объект, предназначенный для хранения и группировки компонентов и учитывающий тонкости работы с ними. Компоненты могут создаваться, храниться и принадлежать только домену,

поэтому схема модели сложной технической системы представлена набором доменов, и при обращении к конкретному компоненту следует указать имя хранящего его домена (см. рис. 11). Для преобразования данных при передаче от домена к домену ис-

„ ,, „ пользуются РВС (см. рис. 10).

Рисунок 11 - Структура модели иссле-

Один из способов ввода мо-

Домен № 1

/'Компонент N»1 / ' . / )

Менеджер схемы модели!

Домен № 2

Домен № К

^ * ^Компонент ЬД *

компонент I

' "компонент L '1

■ |Гп ши'цшт 1 . \ / (Компонент I Li'

[ Подгружаемое моде- i ■ дирующее ядро I i_______;

дели - использование языка описания модели, задачей которого является идентификация команд пользователя для выполнения действий менеджером схемы. В данном языке выделяются следующие группы команд: для работы с файлами, управления состоянием моделирующего ядра, составом и топологией схемы моделируемой системы, представления пользователю информации о составе и структуре введенной схемы моделируемой системы, расширения функциональности комплекса программ. Для автоматизации ввода было предложено использовать древовидное представление команд, позволяющее оптимизировать идентификацию команд, сведя ее к поиску в дереве.

Моделирующее ядро отвечает за исполнение процесса моделирования и от эффективности реализации механизма работы моделирующего ядра зависит производительность всей системы в целом. Кроме этого, исполнение процесса моделирования зависит от множества параметров, таких как использование модельного Рисунок 12 -Алгоритм работы моделирующего вреМени, наличие ресурсов в

операционной системе, сложность схемы моделируемой системы и прочее. В разработанном моделирующем ядре учтены все эти особенности, и алгоритм его работы изображен на рисунке 12.

В четвертой главе представлены результаты внедрения предложенных методик, разработанных алгоритмов и комплекса программ СМРП на следующих примерах:

• система сбора, хранения, отображения информации доменной печи №5 Кузнецкого металлургического комбината (данная разработка представляет собой развитый инструмент для эффективного хранения технологической информации, мониторинга состояния доменной печи и информационно-справочную систему мастера доменного производства, позволившую на основании прогноза своевременно корректировать ход доменной печи);

• исследования минимальной требуемой пропускной способности информационного канала для организации базы данных технологической информации доменной печи в целях повышения уровня автоматизации (позволило исследовать работу информационного канала, определить реальный объем передаваемой информации, и рассчитать

требуемую минимальную пропускную способность информационного канала);

• моделирование автоматизированного процесса обучения в рамках тренажера для решения задач автоматизации учебного процесса обслуживающего персонала ДП (на основе результатов функционирования созданной среды, появилась возможность осуществлять комплексный контроль качества обучения, т.е. стало возможным давать оценку качества применяемого методического обеспечения, определить наиболее труднопонимаемые моменты).

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты исследований, обозначена перспектива дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Комплексное исследование и автоматизация контроля теплового состояния доменной печи является важной научно-технической проблемой, решение которой позволит проектировать более качественные системы управления доменным процессом. В рамках исходной задачи комплексного исследования и автоматизации контроля теплового состояния доменной печи выделяется две подзадачи: применение стратифицированного моделирования разнородных процессов и использование реально-виртуальных структур. Суть решаемых задач заключается в том, чтобы исследовать разные типы взаимодействий доменной печи в рамках единого эксперимента, а так же учитывать взаимовлияние как подсистем, представленных совокупностью абстрактных и реализованных моделей.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Выработаны общий подход и принципы построения методики стратифицированного моделирования разнородных процессов, принципы и особенности построения реально-виртуальных структур моделей для исследования решения поставленной задачи.

2. На основе обобщенных известных разработок, проведении модельных экспериментов предложены методика построения реально-виртуальных структур и методика стратифицированного моделирования разнородных процессов для исследования и автоматизации контроля теплового состояния доменной печи.

3. Спроектирована алгоритмическая структура, реализующая предложенные методики для дальнейшего их использования в решении практических задач автоматизации контроля теплового состояния доменной печи.

4. На базе спроектированных алгоритмов разработан комплекс

программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, позволяющий строить и исследовать системы, представленные совокупностью абстрактных и реальных моделей подсистем.

5. Справедливость предложенных методик и корректность функционирования разработанных программных средств подтверждена в ходе решения задач контроля теплового состояния ДП №5 КМК и обучения технического персонала данного объекта.

В настоящее время перспективным направлением продолжения работ видится дальнейшее развитие стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур, расширение круга исследуемых с их помощью объектов, совершенствование созданного комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дмитриев В.М., Карелин А.Е., Лазичев А.А., Светлаков А.А. Анализ переменных доменного процесса выплавки чугуна и синтез алгоритмов обработки их измерений / Системы автоматизации в образовании, науке и производстве: Всерос. науч.-практ. конф. «AS-2001». 4-6 декабря 2001 г. Новокузнецк, 2001- С.99-100.

2. Дмитриев В.М., Светлаков А.А., Целебровский И.В., Лазичев А.А. Двухканальная система прогнозирования теплового состояния доменной печи / Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии: Всерос. науч.-практ. конф. 2-5 апреля 2001 г. Новокузнецк, 2001.- С.192-193.

3. Дмитриев В.М., Лазичев А.А. Система контроля и управления технологическими процессами / Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии: Всерос. на-уч.-практ. конф. 2-5 апреля 2001 г. Новокузнецк, 2001 - С. 158160.

4. Лазичев А. А. Автоматизация процесса создания программного кода с помощью системы моделирования процессов / Электронные средства и системы управления: Всерос. науч.-практ. конф. 21-23 октября 2003 г. Томск, 2003.- С. 189-190.

5. Лазичев А.А. Реально-виртуальная система обучения персонала технических объектов на основе системы моделирования процессов / Современные средства и системы автоматизации: 4-я науч.-практ. конф. 21-23 октября 2003 г. Томск, 2003.- С.139-141.

6. Лазичев А.А. Построение моделей технических объектов с помощью сетей Петри в системе моделирования процессов / Современные средства и системы автоматизации: 4-я науч.-практ. конф. 2123 октября 2003 г. Томск, 2003- С.136-138.

7. Дмитриев В.М., Лазичев АА. Проблемные стороны создания базы данных для автоматизированной системы управления технологическими процессами доменной плавки // Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов / Под. ред. Шурыгина Ю.А.- Томск: Изд-во Том. ун-та, 2000- С.256-260.

8. Лазичев А.А., Дмитриев В.М. Применение многоканальных систем для контроля и управления технологическими процессами / Измерение, контроль, информатизация "ИКИ-2001": 2я международная научно техническая конференция. 15-17 мая 2001 г. Барнаул, 2001.-С. 116-119.

9. Дмитриев В.М., Лазичев А.А. Применение инструментальной системы моделирования процессов в задачах обучения // Компьютерные технологии в образовании / Под ред. Дмитриева В.М.- Томск: Изд-во Том. ун-та, 2001-Вып. 1. С. 180-186.

10. Дмитриев В.М., Лазичев А.А. Многоуровневая система моделирования. // Приборы и системы: Управление. Контроль. Диагности-ка.2003 №6. С.1-3.

11. Шурыгин Ю.А., Дмитриев В.М., Лазичев А.А. Система моделирования процессов. // Приборы и системы: Управление. Контроль. Диагностика. 2003. № 7. С. 1-4.

12. Дмитриев В.М., Лазичев АА Использование виртуальных контроллеров в задачах автоматизации и моделирования сложных технических систем. // Приборы и системы: Управление. Контроль. Диагностика.2004 .№ 4.С.7-8.

13. Лазичев А.А. Реально-виртуальные модели сложных технических систем. // Приборы и системы: Управление. Контроль. Диагностика. 2004. №5. СЗ-6.

^¡19663

Тираж 100. Заказ 663. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники пр. Ленина, 40

ВВЕДЕНИЕ.

1 Комплексная автоматизация доменной печи.

1.1 Реально-виртуальные структуры.

1.2 Методика стратифицированного моделирования разнородных процессов.

1.3 Автоматизация контроля теплового состояния доменной печи.

1.4 Анализ программных систем исследования и автоматизации.

1.5 Выводы.

2 Анализ и построение методик комплексного моделирования.

2.1 Реально-виртуальные структуры.

2.1.1 Применение реально-виртуальных структур для исследования и автоматизации доменной печи.

2.1.2 Принципы построения реально-виртуальных структур.

2.2 Анализ методики стратифицированного моделирования разнородных процессов.

2.2.1 Классификация и особенности уровней моделирования.

2.2.2 Проблемные стороны реализации методики стратифицированного моделирования разнородных процессов.

2.3 Построение модели исследуемого объекта.

2.4 Выводы.

3 Комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов.

3.1 Принципы построения комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов.

3.2 Анализ структуры комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов.

3.3 Построение модели исследуемого объекта.

3.3.1 Организация компонентов.

3.3.2 Применение узлов для создания топологии схемы модели.

3.3.3 Механизм передачи данных в схеме исследуемой модели.

3.4 Организация библиотеки компонентов.

3.5 Менеджер схемы модели.

3.5.1 Доменная структура модели исследуемой системы.

3.6 Организация моделирующего ядра.

3.7 Язык описания модели.

3.8 Интерпретация языковых конструкций.

3.9 Редактор формального представления модели.

ЗЛОПрограммная организация комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов.

3.11 Выводы.

4 Применение комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов.

4.1 Система сбора, хранения и отображения информации доменной печи Кузнецкого металлургического комбината.

4.2 Исследование требуемой минимальной пропускной способности информационного канала для организации базы данных технологической информации доменной печи.

4.3 Моделирование автоматизированного процесса обучения обслуживающего персонала доменной печи.

4.4 Выводы.:.

Высокая оснащенность современных доменных печей средствами автоматизации требует разработки специализированного программного обеспечения. Опыт работ специалистов в данной области показывает [1], что уровень автоматизации конкретной доменной печи (ДП) определяется не числом реализованных систем, а их функциональным содержанием и системы автоматизации ДП должны иметь в своем составе набор элементов, позволяющих выполнять автоматизацию доменного процесса в целом. Задача автоматизации печи состоит в разработке комплекса мероприятий, направленных на повышение технико-экономических показателей производства чугуна путем рационального построения и организации взаимодействия систем автоматического контроля и управления со структурными элементами технологического комплекса печи [1]. Таким образом, программные и аппаратные средства автоматизации доменного процесса должны иметь в своем составе набор элементов, позволяющих выполнять автоматизацию того или иного этапа доменного производства [2].

По сравнению с капитальными вложениями в доменное производство, определяемыми большими его масштабами, вложения на оборудование доменного цеха системой автоматизированного контроля очень незначительны, но в тоже время дают возможность даже при небольшом улучшении доменного процесса получить существенный экономический эффект, окупающий расходы по созданию системы [3]. При этом обстоятельства требуют, чтобы на каждой доменной печи был определен свой эталон высокопроизводительной и экономичной работы [4].

Рассматриваемый в данной работе объект - доменная печь №5 Кузнецкого металлургического комбината - относится к числу сложных систем и определяется следующими особенностями [3]:

• исключительно большие размеры печи как технической системы;

• случайный характер процессов и статистическая природа связей между сигналами;

• «большая память» системы;

• нелинейность связей между входными и выходными сигналами;

• большое число неконтролируемых возмущающих воздействий.

Одной из наиболее существенных характеристик доменного производства является специализация по отдельным технологическим подсистемам и сопутствующая ей координация работ [1]. Поэтому наиболее естественным подходом к декомпозиции системы управления доменным процессом является разделение по основным структурным элементам, составляющим технологический комплекс доменной печи. Для реализации заданных функций подсистем необходимы системы локального контроля и управления, т.е. каждый структурный элемент должен находиться в определенном иерархическом уровне. В данной работе рассматривается автоматизация одного элемента технологического комплекса ДП - теплового состояния (ТС). Важность данной задачи обуславливается, прежде всего, следующими двумя причинами.

Во-первых, тепловое состояние доменной печи является одним из основных факторов, оказывающих существенное влияние практически на все технико-экономические показатели доменного производства чугуна. Во-вторых, не менее существенное влияние тепловое состояние горна и других частей доменной печи оказывает и на производственную, социальную и экологическую безопасность эксплуатации доменной печи, а также на длительность межремонтных периодов. Особенно важно с этой точки зрения является задача контроля теплового состояния горна доменной печи и его разгара.

В настоящее время активно внедряются средства автоматизации различных подсистем ДП. Так в Донбасском горно-металлургическом институте (научный руководитель доцент А.М. Новохатский) разработана система контроля уровня жидких продуктов плавки и теплового состояния горна доменной печи. В НПО "Доникс" разработана и внедрена на ОАО АМК автоматизированная система теплового состояния воздушных фурм (АСКоС). Разработан ряд систем автоматического контроля ТС горновых холодильников и прогара фурм доменной печи. Решение задачи автоматизации и контроля ТС ДП также не осталось без внимания. Был рассмотрен ряд моделей доменного процесса, но наиболее значимой (и, фактически единственной) разработкой последних 10 лет является способ замкнутого регулирования теплового состояния доменной печи ("Способ ЗРТС"), разработанный институтом металлургии УрО РАН (г. Екатеринбург) для ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат"(1993-1999г.г.). В нем реализован вероятностно-функциональный способ регулирования ТС ДП, основанный на контроле рассогласования между количеством генерируемой в печи теплоты и ее расходом и на непрерывном изменении регулирующего дутьевого параметра в соответствии со знаком рассогласования. Таким образом, можно говорить об актуальности работ по созданию системы контроля и управления ТС ДП.

Согласно Ю.П. Волкову, оценить тепловое состояние ДП можно по внешним (физический нагрев, химический состав чугуна и шлака) и внутренним (распределение газового потока, плавность скорости схода шихты, степень использования СО, Нг и т.п.) признакам. С другой стороны, согласно М.А. Кли-мовицкому и А.П. Копеловичу, тепловое состояние горна можно оценить по температуре фурменных зон.

Существует только, два способа управления ТС: "сверху" (через систему загрузки, путем распределение^Шихтовых материалов в горне) и "снизу" (через систему дутья, управляя газовым потоком). Первоочередной и важнейшей задачей управления технологическими процессами плавки чугуна в ДП является обеспечение ее ровного хода — состояния, которому присущи следующие особенности:

1. Распределение скорости схода шихты в любом горизонтальном сечении доменной печи с течением времени не изменяется.

2. Распределение шихтовых материалов и газового потока по горизонтальным сечениям доменной печи не изменяются во времени, при этом использование химической и тепловой энергии газового потока является максимальным, а расход кокса и вынос колошниковой пыли имеют минимальные для данных условий плавки значения.

3. Тепловое состояние ДП является стационарным и обеспечивает получение чугуна с заданными физико-химическими свойствами.

4. Толщина гарниссажного покрытия внутренней стенки ДП во всех ее точках имеет такие значения, которые обеспечивают постоянство рабочего профиля печи и его сохранность при эксплуатации.

Названные особенности характеризуют работу различных систем ДП для обеспечения ее ровного хода. Поэтому для решения задачи прогнозирования поведения ДП и контроля ее теплового состояния требуется проводить комплексное моделирование, так как от достоверности результатов моделирования зависит корректность работ по созданию автоматизированной системы управления (АСУ), в том числе и для контроля теплового состояния ДП.

Второй задачей внедряемых средств автоматизации ДП является задача обучения технического персонала или повышение его квалификации. Данная задача не утрачивает своей актуальности, так как до сих пор не возможно выполнить полную автоматизацию ДП в виду сложности данного объекта, большой его инерционности, стохастического характера протекающих в ДП процессов, нелинейностью связей между входными и выходными параметрами и др.

Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором, сотрудниками кафедр ТОЭ, КСУП и ПМиИ ТУСУРа, а также при содействии метрологического отдела Кузнецкого металлургического комбината и 13 го отдела НИИ АЭМ. Теоретические и практические результаты, изложенные в работе, в основном получены автором.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Рассматривается задача комплексного моделирования и автоматизации контроля ТС ДП, в которой выделяются две подзадачи: разработка и применение методик стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур.

Суть решаемых задач заключается в расширении возможности исследования такого сложного технического объекта как доменная печь в рамках единого эксперимента, учитывая взаимовлияния подсистем, представленных как абстрактными моделями, так и реальными (физическими или натурными).

Потребность в разработке названных методик обусловлена большой сложностью ДП и алгоритмом оценки ее ТС, отсутствием способов всестороннего их анализа. Требуется построить методики стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур, выработать основные их положения, рассмотреть особенности использования в условиях ДП для практической реализации комплексного моделирования и автоматизации.

Цель работы. Разработать методики стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур для комплексного исследования и автоматизации контроля теплового состояния доменной печи и, на основе разработанных методик, создать комплекс программ.

Объект исследования. Алгоритмы комплексного моделирования для автоматизации контроля теплового состояния доменной печи.

Задачи исследования:

1. Сформулировать основные принципы построения методики стратифицированного моделирования разнородных процессов для комплексного изучения теплового состояния доменной печи.

2. Определить принципы построения реально-виртуальных структур для обеспечения совместимости и интеграции моделей подсистем доменной печи в единую модель.

3. Разработать алгоритмы автоматизации контроля теплового состояния доменной печи, на основе предложенных методик.

4. Создать комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов (СМРП).

Теоретические основы выполнения работы. Реализация поставленных задач осуществляется с использованием системного подхода, на основе применяемых в настоящее время наиболее эффективных программных средств (CASE-технологий, средств визуального программирования и т.д.) и на основе теории сложных систем (М. Месарович, В.П. Авдеев, Б.С. Флейшман, Н.П. Бусленко, И.Н. Коваленко, И.В. Максимей, А.А. Вавилов, О.И. Авен, В.М. Дмитриев и др.).

Научная новизна:

1. Методика стратифицированного моделирования разнородных процессов для контроля и управления тепловым состоянием ДП, опробованная в ОАО "Кузнецкий металлургический комбинат".

2. Новая методика и алгоритмы построения реально-виртуальных структур, примененные на доменной печи и позволяющие охватить для моделирования абстрактные и реальные модели подсистем.

3. Впервые разработан комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, на базе предложенных методик и алгоритмов.

Практическая ценность. Предложенные методики и алгоритмы развивают теорию моделирования,- позволяют выполнить комплексное исследование и автоматизацию контроля теплового состояния доменной печи, увеличивая адекватность моделей реальным подсистемам. Использование реально-виртуальных структур позволяет снизить затраты времени и средств на создание адекватных моделей, обеспечивает совместимость подсистем, а совместно со стратифицированным моделированием разнородных процессов, позволяет расширить класс объектов моделирования, повысить уровень автоматизации ДП. Разработанный комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, позволяет практически использовать предложенные методики для решения широкого круга задач для ДП.

Защищаемые положения:

1. Методика и алгоритмы стратифицированного моделирования разнородных процессов, позволяющие комплексно представить модели теплового состояния доменной печи на трех уровнях: алгоритмическом, математическом и комбинационном.

2. Методика и алгоритмы построения реально-виртуальных структур для решения задач совместимости и интеграции моделей объекта управления (ОУ) и системы управления (СУ) ДП, позволяющие исследовать ее подсистемы, представленные совокупностью абстрактных и реальных моделей.

3. Комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, реализующий предложенные методики моделирования, в форме законченного программного продукта.

Реализация результатов. Результаты исследований, доведенные до инженерного уровня реализации методик и алгоритмов внедрены в ОАО "Кузнецкий металлургический комбинат", на кафедре теоретических основ электротехники (ТОЭ) ТУ СУР и в НИИ Автоматики и электромеханики при ТУ СУР.

Апробация работы и публикации. Основные теоретические результаты, а также результаты прикладных исследований и разработок, докладывались и получили одобрение на международных и региональных конференциях, публиковались в сборниках трудов и в центральной печати: 7 статей (в том числе 4 в центральной печати: журнал "Приборы и Системы: Управление, Контроль, Диагностика"), 6 тезисов докладов (в том числе один на международной конференции: Международная НТК "Измерение, Контроль, Информатизация — 2001", Барнаул). На предложенные методики, разработанные алгоритмы и программные модули получено четыре свидетельства об отраслевой регистрации разработок.

Достоверность полученных результатов обеспечивается исходными теоретическими, методологическими и практическими данными исследований, апробацией результатов, эмпирическим исследованием функционирования разработанного комплекса программ.

Личный вклад автора. Постановка задач исследования (совместно с руководителем), разработка концептуальных положений предложенных методик комплексного исследования и автоматизации управления ТС ДП, проведение обзорных и теоретических исследований, доведение разработок до инженерных решений, конкретных алгоритмов, комплекса программ СМРП, проведение экспериментальных исследований, интерпретация полученных результатов.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 16 приложений и содержит 134 страницы основного текста, 63 рисунка, 100 использованных источников.

4.4 Выводы

1. Применение комплекса программ СМРП на доменной печи позволило разработать систему сбора, хранения и отображения информации мастеру, позволяющую повысить эффективность хранения данных и делать прогноз теплового состояния доменной печи с автоматическим выходом на технологическую инструкцию.

2. На основе модели Е-сетей выполнены исследования пропускной способности информационного канала доменной печи, по результатам которых был сделан вывод о возможности повышения уровня автоматизации данного объекта.

3. Построение и исследование модели автоматизированного процесса обучения в рамках реально-виртуальной лаборатории показало справедливость методики СМРП. На основе данных моделирования появилась возможность качественной оценки процесса обучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комплексное исследование и автоматизация контроля теплового состояния доменной печи является важной научно-технической проблемой, решение которой позволит проектировать более качественные системы управления доменным процессом. В рамках исходной задачи комплексного исследования и автоматизации контроля теплового состояния доменной печи выделяется две подзадачи: применение стратифицированного моделирования разнородных процессов и использование реально-виртуальных структур. Суть решаемых задач за-г ключается в том, чтобы исследовать разные типы взаимодействий доменной печи в рамках единого эксперимента, а так же учитывать взаимовлияние как подсистем, представленных совокупностью абстрактных и реальных моделей.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Выработаны общий подход и принципы построения методики стратифицированного моделирования разнородных процессов, принципы и особенности построения реально-виртуальных структур моделей для исследования решения поставленной задачи.

2. На основе обобщенных известных разработок, проведении модельных экспериментов предложены методика построения реально-виртуальных структур и методика стратифицированного моделирования разнородных процессов для исследования и автоматизации контроля теплового состояния доменной печи.

3. Спроектирована алгоритмическая структура, реализующая предложенные методики для дальнейшего их использования в решении практических задач автоматизации контроля теплового состояния доменной печи.

4. На базе спроектированных алгоритмов разработан комплекс программ стратифицированного моделирования разнородных процессов, позволяющий строить и исследовать системы, представленные совокупностью абстрактных и реальных моделей подсистем.

5. Справедливость предложенных методик и корректность функционирования разработанных программных средств подтверждена в ходе решения задач контроля теплового состояния ДП №5 КМК и обучения технического персонала данного объекта.

В настоящее время перспективным направлением продолжения работ видится дальнейшее развитие стратифицированного моделирования разнородных процессов и реально-виртуальных структур, расширение круга исследуемых с их помощью объектов, совершенствование созданного комплекса программ стратифицированного моделирования разнородных процессов.

Работа выполнена в соответствии с рекомендациями к оформлению кандидатских диссертаций, изложенными в литературе [99, 100].

1. Повышение эффективности работы доменных печей // Тематический отраслевой сборник / Отв. ред. А.Г. Ульянов.- М.: "Металлургия", 1983.- 83с.

2. Проблемы автоматизированного управления доменным производством // материалы Всесоюзного семинара. / Редкол. К.А. Шумилов (отв. ред.).-Киев: "Наукова Думка", 1974,- 284с.

3. Гиммельфарб А.Д., Ефименко Г.Г. Автоматическое управление доменным производством-М.: "Металлургия", 1969-309с.

4. Контроль и регулирование параметров доменного процесса // Сборник работ / Редкол. К.А. Шумиров (отв. ред.).- Киев: "Наукова Думка", 1972,- 306с.

5. Максимей И.В. Математическое моделирование больших систем: Учебное пособие для специальности "Прикладная математика" вузов — Минск: Высшейш. шк., 1985- 119с.,ил.

6. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ.— М.: Радио и связь, 1988.-230с., ил.

7. Вавилов А.А., Имаев Д.Х., Плескунин В.И. и др. Имитационное моделирование производственных систем. / Под общ. ред. А.А. Вавилова.— М.: Машиностроение; Берлин: Техника, 1983.-416 е., ил.

8. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. 2-е изд., перераб. М.: Наука, 1978 399с., ил.

9. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. / Под ред. и с послесл. Н.П.Бусленко — М.: Наука, 1977.- 239с., ил.

10. Снапелев Ю.М., Старосельский В.А. Моделирование и управление в сложных системах М.: Наука, 1974.- 213с.

11. И. Нейлор Т. Машинные имитационные эксперименты с моделями экономических систем / Пер. с англ. В.Ю. Лебедева и А.В. Лотова; Под ред. А.А. Петрова с предисл. Н.Н. Моисеева М.: Мир.— 1975 500с.

12. Технология системного моделирования / Под общ. ред. Емельянова С.В. и др.- М.: Машиностроение; Берлин: Техник, 1988.— 520с., ил.

13. Флейшман Б.С. Элементы теории потенциальной эффективностисложных систем. М.: «Советское радио», 1971.- 224 с.

14. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем: искусство и наука / Пер. с англ. под общ. ред Масловского Е.К.- М.: «Мир», 1978.- 424с.

15. Месарович М., Мко Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем / Пер. с англ. под ред. Шахнова И.Ф.— М.: «Мир», 1973-344с.

16. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике / Пер. с англ. под общ. ред. Добрушина P.JI. и Лупанова О.Б. / С предисл. Колмогорова А.Н.—М.: Издательство иностранной литературы, 1963 — 832с.

17. Системный анализ промышленного производства: сб. статей АН УССР, Науч. совет, по пробл. "Кибернетика" / Ин-т кибернетики им. Глушкова; Под ред. Скурихин В.И.- Киев: ИК, 1977 82с., ил.

18. Цвиркун А.Д. Структура сложных систем. (Библиотека технической кибернетики).-М.: "Сов. радио", 1975 200с.

19. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учебник для ВУЗов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2001.- 343с., ил.

20. Прицкер А. Введение в имитационное моделирование и язык СЛАМII / Пер. с англ.- М.: Мир, 1987.- 646с., ил.

21. Дыхненко Л.И., Кабаненко В.Ф., Кузьмин И.В. и др. Основы моделирования сложных систем.- Киев: Вища шк., 1981— 359с.

22. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем — искусство и наука / Пер. с англ.- М.: Мир, 1978 418с.

23. Воронцов И.Н. Система математических методов машинного моделирования "Взаимодействия". Элементы теории.-М.: 1979.-376 с.

24. Лазичев А.А. Реально-виртуальные модели сложных технических систем. // Приборы и системы: Управление. Контроль. Диагностика. 2004. № 5. С. 1-5.

25. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Концепция управления электроавтоматикой станков с ЧПУ по типу виртуальных контроллеров SoftPLC // Приборы и Системы: Управление, Контроль, Диагностика. 2003. №7. С.5-10.

26. Дмитриев В.М., Лазичев А.А. Использование виртуальных контроллеров в задачах автоматизации и моделирования сложных технических систем. // Приборы и системы: Управление. Контроль. Диагностика. 2004. № 4. С. 1-4.

27. Ермаков С.М., Жиглявский А.А. Математическая теория оптимального эксперимента: Учеб. пособие — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.— 320с.

28. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Основы системного анализа: Учебник. 3-е изд. Томск: НТЛ, 2001— 390с., ил.

29. Дмитриев В.М., Бахтин Ю.В. Анализ кинетических характеристик роботов манипуляторов на ЭВМ / Депонирована в ЦНТИ "Поиск", ПТО. — Томск, 1986. №3.

30. Дмитриев В.М., Арайс Л.А., Шутенков А.В. Автоматизация моделирования промышленных роботов — М.: Машиностроение, 1995 304с., ил.

31. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATHLAB: учебный курс СПб: Питер, 2000.- 432с., ил.

32. Бриллюэн Л. Наука и теория информации.- М.: Физматгиз, 1960.

33. Техника больших систем (средства системотехники) / Пер. с англ. И.Н. Васильева, Е.Н. Дубровского, А.С. Манделя, В.Ю. Невраева; Под ред. О.И. Авена. М.: "Энергия", 1969.-432с.

34. Мильштейн В.Н. Энергетические соотношения в электроизмерительных приборах -М: Госэнергоиздат, 1960.

35. Вавилов А.А., Фомин В.Ф., Аврамчук Е.Ф. Системное моделирование: проблемы теории и технологии // Синтез и проектирование многоуровневых систем управления: I Всесоюзн. науч.-техн. конф. 1982 г. Барнаул, 1982 Ч. 1С. 9-11.

36. Дмитриев В.М., Лазичев А.А. Многоуровневая система моделирования. // Приборы и Системы: Управление, Контроль, Диагностика. 2003. № 6. С.1-3.

37. Дьяконов В., Круглов В. MATHLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник.— СПб.: Питер, 2002 448с., ил.

38. Литвинов В.В., Марьянович Т.П. Методы построения имитационных систем / АН УССР Ин-т кибернетики им. Глушкова.- Киев: Наук, думка, 1991-115с.41. http://www.gpss.ru/paper/kudashov/paper.html42. http://www.interface.ru/rational/uml 2.htm

39. Лямкин А.А. Структурные и функциональные модели сложных технических систем // Приборы и Системы: Управление, Контроль, Диагностика. 1999. №4. С.9-12.49. http://www.rtfm.4hack.com/show.php?rs=2&sb=2&sh-1 &st=l2

40. David S Piatt. The Essence of OLE with ActiveX, 1998 554pp.

41. Microsoft Developer Network Library (MSDN), www.microsoft.com/nsdn/.52. http://www.opcfoundation.org/

42. Барановская Т.П., Лойко В.И., Семенов М.И. Архитектура компьютерных систем и сетей — М.: Финансы и статистика, 2003 256с., ил.

43. Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. СПб.: Питер, 2002.- 528с., ил.55. http://delphiplus.nagano.ru/articles/delphi/rs-232/index.html56. http://www.spline.ru/interfaces/isabus.htm57. http://www.spline.ru/interfaces/usb.htm

44. Арайс Е.А., Дмитриев В.М. Моделирование неоднородных цепей и систем на ЭВМ М.: Радио и связь, 1982 - 160с.

45. Авдеев В.П., Зельцер С.Р., Карташов В.Я., Киселев С.Ф. Натурно-математическое моделирование в системах управления — Кемерово: Изд-во Ке-меров. гос. ун-та, 1987 84с.

46. Нуждин В.Н. Автоматизация проектирования и исследования электроприводов. 4.2 Автоматизация моделирования.- Иваново: ИвГУ, 1980.- 95с.

47. Т. Пратт, М. Зельковиц. Языки программирования: разработка и реализация. 4-е изд. СПб.: BHV-Петербург, 2002.-465с., ил.

48. Microsoft Platform Software Developer Kit (SDK), www.microsoft.com/platform sdk/.

49. Дмитриев B.M., Зайченко Т.Н., Гарганеев А.Г., Шурыгин Ю.А. Автоматизация функционального проектирования электромеханических систем и устройств преобразовательной техники— Томск: Изд-во Том. ун-та, 2000 — 292с.

50. Дмитриев В.М. Зайченко Т.Н., Зюзьков В.М., Шурыгин Ю.А., Шутен-ков А.В. Система автоматизации моделирования управляемого электропривода- Томск: Изд-во Том. ун-та, 1997 92с.65. www.modelica.org

51. Роберт Дж. Торрес Практическое руководство по проектированию и разработке пользовательского интерфейса: Пер. с. англ.- М.: Изд. дом "Вильяме", 2002 154с., ил.67. http://www.sparm.com/doc/bulletin/c3/nonmtool2.htm

52. Калиткин Н.Н. Численные методы.- М.: Наука, 1978.- 512с.

53. Анализ и синтез сложных сиситем и цепей с помощью ЭВМ / Электротехника и автоматика XXXYIII. 1989. № 702.- Таллин, 1989.- 67с.

54. Абрамов О.В., Инберг С.П. Параметрический синтез настраиваемых технических систем / Отв. ред. В.П. Чипульсис; АН СССР, Дальневосточ. науч. центр, Ин-т автоматики и процессов управления М.: Наука, 1986.-121с., ил.

55. Питолин А.В., Питолин М.В., Севостьянов Д.А. Оптимизационно-имитационный подход к проектированию структуры технических систем // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах / Воронеж, гос. тех. ун-т.- Воронеж, 1997.- С43-48.

56. Котов В.Е. Сети Петри.- М.: Наука, 1984 160с.

57. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи — М.: Высшая школа, 2002-510с., ил.

58. Белоусов А.И., Рекус Г.Г. Сборник задач и упражнений по электротехнике и основам электроники.— М.: Высшая школа, 2001- 416с., ил.

59. Барфилд Э., Уолтере Б. Программирование "клиент-сервер" в локальных вычислительных сетях М.: Информационно-издательский дом "Филинъ", 1997.-424с.

60. Barker R. CASE Method. Function and processing modeling / Copyright Oracle Corporation UK Limited, Addison-Wesly Publishing Co., 1990.

61. Chris Gane, Trish Sarson. Structured System Analysis. Prentice-Hall 1979.

62. Edward Yourdon. Modern structured Analysis. Prentice-Hall 1989.

63. Tom DeMarco. Structured Analysis and System Specification. Yourdon Press, New York, 1978.

64. Марка Д.А. МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования.—М.: "МетаТехнология", 1993.—244с.

65. Павловская Т.А. С /С++. Программирование на языке высокого уровня.- СПб.: Питер, 2002 464с., ил.

66. Кэшмэн М., Поль Г., Сворт Б., Холингворт Д. Borland С++ Builder 6. Руководство разработчика / Пер. с. англ.- М.: Изд. дом "Вильяме", 2003,— 976с., ил.

67. Эш Рофэйл, Яссер Шохауд. СОМ и СОМ+. Полное руководство / Пер. с англ.- К.:ВЕК+, К.:НТИ, М.: Энтроп, 2000 560с., ил.

68. ТрельсенЭ. Модель СОМ и ATL 3.0 / Пер. с англ.- СПб.: BHV, 2002-928с., ил.

69. Рихтер Дж. Windows для профессионалов: создание эффективных Win32-пpилoжeний с учетом специфики 64-разрядной версии Windows. 4-е изд. / Пер. с англ. СПб: Питер, 2001- 752с., ил.

70. Шурыгин Ю.А., Дмитриев В.М., Лазичев А.А. Система моделирования процессов. // Приборы и Системы: Управление, Контроль, Диагностика. 2003. №7. С. 1-4.

71. Лазичев А.А. Автоматизация процесса создания программного кода с помощью системы моделирования процессов // Электронные средства и системы управления: Всероссийская научно-практическая конференция. 21-23 октября 2003 г. Томск, 2003.-С.124-127.

72. Касперски К. Техника оптимизации программ. Эффективное использование памяти.- СПб.: БХВ-Петербург, 2003- 464с.

73. Эндрюс Г.Р. Основы многопоточного, параллельного и распределенного программирования / Пер. с. англ.— М.: Изд. дом "Вильяме", 2003.— 512с., ил.

74. Petri С. A. Concepts of Net Theory. In Proceedings of MFCS'73 // Mathematics Institute of the Slovac Academy of Science, 1973.-P.137-146.

75. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем / Пер. с англ. Горбатовой М.В. и др.; Под ред. Горбатова В.А М.:Мир,1984.- 264с., ил.93. http://caree.narod.ru/vpdocs/part 1 .html

76. В.М. Дмитриев, С.В. Калистратов, А.Н. Кураколов, В.А. Муливенко

77. Реально-виртуальный лабораторный практикум // Компьютерные технологии в образовании / Под ред. В.М. Дмитриева- Томск: Изд-во Том. ун-та, 2001.-Вып. 1.-С. 166-174.

78. Дмитриев В.М., Лазичев А.А. Применение инструментальной системы моделирования процессов в задачах обучения // Компьютерные технологии в образовании / Под ред. В.М. Дмитриева- Томск: Изд-во Том. ун-та, 2001.-Вып. 1 .-С. 180-184.

79. Дмитриев В.М., Дмитриев И.В., Шутенков А.В. Автоматизированный учебно-лабораторный комплекс для обучения студентов технических специальностей,-Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002.- 151с.

80. В.М. Дмитриев, А.В. Шутенков, Ю.В. Гусев, Т.В. Ганжа, А.Н. Кура-колов. Виртуальная лаборатория по курсу «Теоретические основы электротехники».- Томск, 2003- 110с.

81. Кузнецов И.Н. Научные работы: Методика подготовки и оформления / Авт-сост.-2-е изд., перераб. и доп.— Мн: Амалфея, 2000.- 544с.

82. Горелов В.П., Горелов С.В., Зачесов В.П. Аспирантам, соискателям ученых степеней ученых званий: Практическое пособие — Новосибирск: Изд-во Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2001- 262с.