автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методы и модели управления элементами технологического процесса производства стекла

2

ГЛАВА 1: ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ СТЕКЛОВАРЕННЫМ ПРОЦЕССОМ.

1.1 Способы управления стекловаренным процессом.

1.2 Реализуемый способ управления процессом стекловарения.

1.3 Задача построения модели стекловаренной печи.

1.3.1 Алгоритмическое моделирование.

1.4 Задача о смесях при приготовлении шихты.

1.4.1 Методы расчета рецептуры стекольной шихты применяемые в стекольной промышленности.

1.4.1.1 Метод последовательных приближений.

1.4.1.2 Метод уравнений.

1.4.1.3 Симплекс метод.

Выводы:.

Выводы:.

ГЛАВА 2: ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ПЕЧИ ВАННОГО ТИПА.

2.1 Точечная модель ванны стекловаренной печи.

2.2 Резервуарная модель ванны стекловаренной печи.

2.3 Многокамерная, двухслойная имитационная модель стекловаренной печи ванного типа.

2.3.1 Алгоритмическая сеть модели стекловаренной печи ванного типа.

2.4 Многокамерная, двухслойная, объемная имитационная модель стекловаренной печи ванного типа и решаемые с ее помощью задачи.

2.4.1 Задача определения истинного состава загружаемого в печь сырья.

2.4.2 Задача расчета корректирующего импульса.

2.5 Анализ результатов моделирования.

2.6 Натурный эксперимент на печи с целью определения ее динамических характеристик и верификации имитационной модели.

2.6.1 Фактические данные эксперимента.

2.6.2 Итоги эксперимента и выводы.

2.6.2.1 Результаты сравнения данных 2 и 3 этапов натурного эксперимента на печи № 2 и их имитации на модели.

2.7 Идентификация модели печи.

2.7.1 Составление уравнений идентификации.

2.7.1.1 Прямой метод наименьших квадратов.

2.7.2 Идентификация.

Выводы:.

ГЛАВА 3: МЕТОДИКА РАСЧЕТА РЕЦЕПТУРЫ ШИХТЫ И ИНФОРМАЦИОННОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОКСИДНЫМ СОСТАВОМ.

3.1 Алгоритм расчета рецептуры шихты.

3.1.1 Задача линейного программирования при расчете рецепта шихты.

3.1.1.1 Реализованный алгоритм симплекс-метода.

3.1.1.2 Примеры расчета.

3.2 База данных информационного сопровождения системы управления оксидным составом.

Выводы.

ГЛАВА 4: ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОКСИДНЫМ СОСТАВОМ СТЕКЛОМАССЫ "ЭКСКУРС".

4.1 Структура системы.

4.2 Сведения о программной реализации.

4.3 Пример управления стекловаренным процессом.

Выводы.

Технологический процесс производства стекла является высокомеханизированным многоэтапным процессом, включающим образование шихты, транспортировку и засыпку шихты в печь, стекловарение, формообразование, отжиг, отбраковку, упаковку, складирование готовой продукции.

Из всех этапов технологического процесса наиболее значимым и определяющим качество продукции является процесс стекловарения, направляемый решением двух основных эксплуатационных задач: а) задачей управления тепловым режимом печи, б) задачей управления оксидным составом навариваемого стекла.

Наиболее изученной является задача управления тепловым режимом работы стекловаренной печи, по ней имеется большое число работ [1, 2, 3, 4, 5]. Разработаны системы управления тепловым режимом печи, что позволяет удерживать температуру в заданных пределах. Вторая задача менее изучена и не обеспечена средствами управления, ей и посвящается данная диссертационная работа.

Актуальность работы:

Особенностями российского сырьевого рынка, как известно, являются невысокая стоимость сырья при нестабильности его химических характеристик. В условиях конкуренции и постоянного роста требований к качеству готовой продукции для того, чтобы иметь возможность продолжать эффективно работать на некачественном, но дешевом сырье, необходимо существенно увеличить интеллектуальную составляющую управления. Имеются в виду методы и средства информатизации, позволяющие более тонко и своевременно реагировать на широкий фронт внешних возмущений, таких как упоминавшаяся нестабильность химического состава сырья, ошибки в расчете рецептуры, ошибки в проведении анализов сырья и готового стекла и т.д.

Потребность в новых методах и средствах управления технологией становится особенно острой в случае привлечения на завод западной техники и технологий, предъявляющих, как правило, более жесткие требования к качеству исходного сырья и отдельным технологическим режимам.

Задача разработки новых методов и моделей для систем управления в промышленности вообще и в стекольной, в частности, является важной научно-производственной проблемой.

Цель диссертации: разработка моделей и методов, позволяющих стабилизировать оксидный состав навариваемого стекла.

Объект исследования: система управления процессом стекловарения. Разработана система управления, позволяющая стабилизировать состав стекломассы в печи. Включающая:

- алгоритмическую модель осреднения оксидного состава стекла в стекловаренной печи ванного типа;

- процедуру расчета состава шихты по заданному составу стекла с учетом стеклобоя.

Предметом исследования являются: технология шихтоподготовки, стекловаренная печь ванного типа, методы расчета состава шихты по заданному составу стекла.

Методы исследования: методологические и теоретические проблемы решены на основе методов системного анализа с применением методов математического моделирования, использования методов линейного программирования и теории автоматического регулирования.

На защиту выносятся:

- структура системы управления, являющаяся формализацией способа управления (стабилизации) оксидным составом стекломассы на выходе стекловаренной печи ванного типа;

- алгоритмические сетевые модели процессов осреднения оксидного состава стекломассы в стекловаренной печи ванного типа;

- разработанный алгоритм расчета состава стекольной шихты по заданному составу стекла отличающийся от использовавшихся ранее возможностью учета стеклобоя и малых добавок относительно чистых сырьевых материалов в шихту с оптимизацией по стоимости получаемой шихты;

- разработанная на основе вышеперечисленных пунктов программная реализация системы управления оксидным составом стекла в стекловаренной печи ванного типа «ЭКСКУРС».

Научная новизна:

- формализован и программно реализован способ управления оксидным составом стекломассы на выходе стекловаренной печи ванного типа отличающийся от существующих возможностью учета неточностей состава сырья загружаемого в печь;

- разработаны алгоритмические сетевые модели процессов осреднения оксидного состава в стекловаренной печи ванного типа, позволяющие: определять оксидный состав подаваемого в печь сырья, прогнозировать состояние стекловаренной печи, производить расчет корректирующего воздействия на оксидный состав стекломассы в печи;

- разработан новый алгоритм расчета состава стекольной шихты по заданному составу стекла отличающийся от использовавшихся ранее возможностью учета стеклобоя и малых добавок относительно чистых сырьевых материалов в шихту с оптимизацией по стоимости получаемой шихты;

- решена задача идентификации функциональной модели стекловаренной печи ванного типа;

- разработана программная система «Экскурс» реализующая способ стабилизации оксидного состава стекла путем коррекции рецептуры шихты на основе спрогнозированного состояния печи.

Достоверность сформулированных научных положений и выводов подтверждена экспериментальной проверкой адекватности разработанной математической модели и методов расчета, в ходе натурного эксперимента на действующей стекловаренной печи в период с 5 марта по 2 апреля 2001 г. Практическая значимость: разработанный программный продукт позволяет управлять химическим составом стекла в ванной стекловаренной печи, что улучшает качество навариваемой стекломассы, а, следовательно, уменьшает количество брака и дает значительный экономический эффект. Система управления оксидным составом стекла в стекловаренной печи ванного типа сдана в опытную эксплуатацию на Покровском Стекольном Заводе (далее ПСЗ), а программа расчета состава шихты внедрена на ПСЗ с 2000 года. Апробация работы: основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на

- Двенадцатой международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ -12», (Новгород, 1999 г.);

- Седьмой международной конференции «Региональная информатика - 2000», (Санкт-Петербург, 2000 г.).

Публикации: по теме диссертационной работы опубликовано семь печатных трудов.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, библиографии, включающей 64 наименования, приложения, и актов внедрения. Основное содержание работы составляет 140 страницы текста, в том числе 23 таблицы и 33 рисунка.

Выводы.

Реализована автоматизированная система управления оксидным составом стекломассы в печи ванного типа "ЭКСКУРС", которая является программной реализацией предлагаемой в главе 1 системы управления оксидным составом стекла. Описана структура системы, даны сведения о программной реализации, а также приведен пример управления оксидным составом стекломассы в печи.

Заключение.

В результате данной диссертационной работы была разработана структура системы управления (стабилизации) оксидным составом стекломассы на выходе стекловаренной печи ванного типа реализующей новый способ управления процессом стекловарения, целью которого является стабилизация химического состава навариваемой стекломассы. Для реализации предложенной системы управления возникла необходимость разработки модели стекловаренной печи ванного типа (модель усреднения оксидного состава стекломассы в печи), а также новой методики расчета рецепта стекольной шихты.

Разработана многокамерная, двухслойная, объемная имитационная модель осреднения оксидного состава в стекловаренной печи ванного типа. Для верификации и определения параметров печи был проведен натурный эксперимент на реальной стекловаренной печи. С помощью имитационной модели решена задача прогнозирования состояния стекловаренной печи и расчета корректирующего воздействия на печь. Произведена идентификация функциональной модели стекловаренной печи в виде разностного уравнения 2-го порядка. Полученные результаты по идентификации модели печи могут быть использованы для замены имитационной алгоритмической модели стекловаренной печи в системе «ЭКСКУРС» полученным рекуррентным выражением, что повысит скорость расчета по модели и позволит исключить из состава системы пакет «Matlab» и описания в терминах ТАР всей системы управления оксидным составом стекломассы в печи, что является перспективной задачей на будущее.

Разработан алгоритм расчета состава стекольной шихты по заданному составу стекла отличающийся от традиционных методов расчета возможностью учета стеклобоя и малых добавок относительно чистых сырьевых материалов в шихту с оптимизацией по стоимости получаемой шихты. Внедрение данной методики на стеклозаводах позволит технологам управлять процессом изготовления шихты, используя смесь кондиционного (дорогого) и местного сырья наиболее выгодным образом, а также легко рассчитывать составы шихт для нестандартных составов стекол.

Система управления доведена до программной реализации в виде системы управления оксидным составом стекла в стекловаренной печи ванного типа «ЭКСКУРС». Для хранения данных необходимых для расчета состава шихты, модельного сопровождения стекловаренных печей, управления процессом стекловарения и набором статистического материала о производстве стекла используемых в системе "Экскурс" разработана соответствующая структура БД, использованная в программной реализации.

В результате проведенного исследования и полученных результатов созданы условия для решения 2-й из заявленных во введении задач (задача управления оксидным составом стекломассы в печи). Следующим шагом будет создание обобщенной, многосвязной системы управления технологическим процессом производства стекла, включающей в себя управление оксидным составом стекломассы в печи, тепловым режимом печи, процессом отжига готовой продукции, линией шихтоподготовки и склада.

Есть основания полагать, что результаты данной работы могут найти применение не родственных предприятиях стекольной промышленности России.

1. Гюнтер Р. Ванные стекловаренные печи. М.: Гос. изд-во по архитектуре и стройматериалам., 1958. 259 е.;

2. Гинзбург А.Б. Стекловаренные печи. M.-JL: ГИЗЛГПРОМ., 1948. 398 е.;

3. Кучеров О. Ф. Автоматизированные системы управления производством стекла. JL: Стройиздат., 1980 г. С.44-65;

4. Соркина А.Е. Анализ возможностей управления процессом стекловарения. //Сборник трудов: Автоматизация технологических процессов в производстве стекла. М. 1985 г. С. 62-66;

5. Соркина А.Е. Идентификация структуры и параметров математической модели управления процессом стекловарения. //Сборник трудов: Автоматизация технологических процессов в производстве стекла. М. 1985 г. С. 69-74;

6. Анисимов А.П. Использование вторичного сырья важнейшая задача производства. // Стекло и керамика., 1988. №8. С. 5-6;

7. Лаптев В.И. Автоматический контроль и регулирование технологических процессов в производстве стеклотары. М.: Легкая индустрия., 1977. С. 108110;

8. Аппен А.А. Химия стекла. Л.: Химия., 1970. С.302-335;

9. Соркина А.Е. Разработка способов стабилизации химического состава стекольной шихты на критериальной основе. //Автореферат диссертации на соискание ученой степени ктн. С.4-15;

10. Панкова Н.А. Соркина А.Е. О прогнозировании качества стекольной шихты. // Стекло и керамика., 1983. №2. С. 10-12;

11. Маневич В.Е., Соркина А. Е. Оптимальное управление процессом приготовления стекольной шихты. // Механизация и автоматизация производства., 1982. №5. С. 18-20;

12. Соркина А.Е. Условия корректировки рецепта шихты. // Стекло и керамика., №5. 1983. С. 8-9;

13. Панкова Н.А., Соркина А. Е. Корректировка рецепта стекольной шихты. // Стекло и керамика., 1987. №9. С. 27-28;

14. Першин M.JI. Определение категорийности стекольной шихты, как критерия эффективности работы составного цеха. // Сборник научных трудов: Автоматизация технологических процессов в производстве стекла., М.:ГИС., 1985. С. 79-84;

15. Адаскин М.Г. Управление приготовлением стекольной шихты по результатам экспресс-анализа химического состава. // Сборник научных трудов: Автоматизация технологических процессов в производстве стекла., М.:ГИС., 1985. С.84-90;

16. Иванищев В. В. (рук.), Фокин А.В., Янив Р.И. Описание назначения пакета 'ШИХТА' для проведения расчетов рецептуры шихты, учета расхода сырьевых материалов и регистрации анализов. //Отчет по проекту "Стекло". С-Петербург Сазоново, 2000 г. 25 е.;

17. Иванищев В. В. (рук.), Фокин А.В., Янив Р.И. Инструкция по использованию пакета 'ШИХТА' для проведения расчетов рецептуры шихты, учета расхода сырьевых материалов и регистрации анализов. //Отчет по проекту "Стекло". С-Петербург Сазоново, 2000 г. 31 е.;

18. Иванищев В. В. (рук.), Фокин А.В., Михайлов В.В., Янив Р.И., Карташев Н.К. Экспертная система управления оксидным составом стекломассы в печи ванного типа. //Отчет по проекту "Стекло". С-Петербург, 2000 г. 47 е.;

19. Иванищев В.В., Фокин А.В., Королев О.Ф., Янив Р.И. Модель управления режимом печи ПКЭ-323 для отжига стеклотары. //Отчет по проекту "Стекло". С-Петербург, 2000 г. 23 е.;

20. Иванищев В. В. (рук.), Фокин А.В., Марлей В.Е., Михайлов В.В., Янив Р.И. Система управления оксидным составом стекла на выходе печи ванного типа. //Отчет по проекту "Стекло". С-Петербург, 2000 г. 36с.;

21. Иванищев В. В. (рук.) Отчет о натурном эксперименте на печи №2 ОАО "Покровский Стекольный Завод" в период с 5 марта по 2 апреля 2001 года. //Отчет по проекту "Стекло". С-Петербург, 2001 г. 44 е.;

22. Копелева В.Е. Методика изучения усредняющей способности ванных печей листового стекла. // Стекло и керамика., 1977. №6. С.6-8;

23. Бирюков Б.В. Кибернетика и методология науки. М.: Наука., 1974. С. 412-414;

24. Берга А.И. (Под ред.) Управление, информация, интеллект. М.: Мысль.,1976. 383 е.;

25. Пономарев В.М. Алгоритмические модели в задачах исследования систем. // Алгоритмы и системы автоматизации исследований и проектирования. М.: Наука, 1980. С.4-8.

26. Пономарев В.М., Алекесандров В.В. Алгоритмические модели как средство автоматизации исследований. // Автоматизация исследований и проектирования. М.: 1978. С. 5-8;

27. Иванищев В.В. Алгоритмический базис для описания механизмов экономики. // Алгоритмические модели в автоматизации исследований. М.: Наука, 1980. С.37-42;

28. Иванищев В.В. Автоматизация моделирования потоковых систем. Д.: Наука., 1986. 142 с.;

29. Янив Р. И. Организация вычислений на АС. // СПб.: ИТИМ. С. 140-146;

30. Янив Р. И. Алгоритм вычислений на алгоритмических сетях. // 12 Международная конференция «Математические методы в технике и технологиях ММТТ 12», сборник трудов. Новгород. 1999;

31. Веригин А.Н„ Федоров В.Н, Данильчук B.C. Химико-технологические агрегаты. Имитационное моделирование. СПб.: СПбТУ., 1998. 217 с.;

32. Матвеев М.А, Клейменов Б.А. Расчеты по технологии стекла. JI: Гизлегпром, 1938. С. 393-395;

33. Усвицкий М.Б. Стекло. // Труды ГИС., 1978. № 1. С. 20;

34. Кусов И.Ф. Стекло. // Труды ГИС, 1978. № 2. С. 100;

35. Коробко М.И., Коробко И.М. // Механизация и автоматизация управления., 1974. №5. С. 13;

36. Усвицкий М. Б. Расчет состава шихты на микрокалькуляторе. // Стекло и керамика., 1983. № 4. С. 7-9;

37. Катаева Г.В., Левин С.И., Полляк В.В. Расчет состава шихты многокомпонентных стекол методом последовательного приближения. // Труды ГИС., 1966. № 2. С. 1-11;

38. Бирюков В.П. Алгоритм расчета шихты методом Зейделя. // Стекло и керамика., 1987. № 7. С. 15-16;

39. Марков Е.П., Куликов Б.М., Маневич В.Е. // Строительные материалы., 1977. № 1.С. 33;

40. Дудырев А.С., Овезов Н.Ш., Сайылов Н.С. Алгоритм расчета рецепта стекольной шихты. // Стекло и керамика., 1991. № 5. С. 9-11;

41. Спирин Ю.Л., Дедюков С.Н., Злотник Е.М. Расчет оптимального рецепта шихты. // Стекло и керамика., 1980. № 1. С. 6-8;

42. Брант 3. Статистические методы анализа наблюдений. Пер. с англ. М.: Мир., 1969. 520 е.;

43. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Регсдел К. Оптимизация в технике. Пер. с англ. М.: Мир., 1986. Том 1. С. 161-176;

44. Марков Е.П., Чесноков А.Г., Маневич В.Е., Овчаренко А.И. Анализ методов расчета стекольной шихты. // Стекло и керамика. 1980. № 12. С.3-4;

45. Филатов Н. Н. Динамика озер. Лен.: Гидрометеоиздат., 1983. 166 е.;

46. Штокман В. Б. Избранные труды по физике моря. Лен.: Гидрометеоиздат., 1970.335 с.;

47. Павлушкин Н. М. (Под ред.) Химическая технология стекла и ситаллов. М.: Стройиздат., 1983. 430 е.;

48. Самарский А. А. Математическое моделирование. М.: Наука., 1997. 316 с.;

49. Манусович М. И., Полляк В. В., Смирнов Е. И. Динамика обмена стекломассы в ванных печах ВВС. // Стекло и керамика. 1968. № 10. С.9-12;

50. Смирнов Е. И. Расчет степени гомогенизации стекломассы в ванной печи. // Стекло и керамика. 1960. № 5. С.24-28;

51. Михайлов В.В. Матричные алгоритмические сети и их применение. //Теоретические основы и прикладные задачи интеллектуальных информационных технологий. СПб.: изд. "Анатолия", 1998. С. 207-221;

52. Иванищев В.В., Михайлов В.В. Автоматизация моделирования экологических систем. СПб., СпбГу, 2000. 171 е.;

53. Балонин Н.А Новый курс теории управления движением. Санкт-Петербург: Издательство СпбГУ, 2000. 160 е.;

54. Ли Р. Оптимальные оценки, определение характеристик и управление. М.: Наука, 1966. Lee R.C.K. Optimal Estimation, Identification and Control, MIT Press, Cambridge, Mass., 1964.;

55. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. М.: Мир, 1975;

56. Савитский С.К. Инженерные методы идентификации энергетических объектов. JL: Энергия, 1978;

57. Гроп Д. Методы идентификации систем. М.: Мир, 1979;

58. Современные методы идентификации систем. /Под ред. П. Эйкхоффа. М.: Мир, 1983;

59. Ляшенко И.Н., Карагодова Е.А., Черникова Н.В., Шор Н.З. Линейное и нелинейное программирование. Киев: Выща школа., 1975. 327 е.;

60. Кузнецов Ю.Н., Кузубов В.И, Волощенко А.Б. Математическое программирование. М.: Высшая школа., 1976. 352 с. с ил.;

61. Зайченко Ю.П., Шумилова С.А. Исследование операций. Сборник задач. Киев: Вища школа. Изд. при Киев, ун-те, 1984. 224 с.

62. Грофф. SQL: полное руководство (2-е издание). Киев: BHV., 2000. 608 е.;

63. Наумов А.Н. (п. ред.) Системы управления базами данных и знаний. М.: Финансы и стактистика., 1991;

64. Дейт К. Введение в системы баз данных. М.:, 1980. 464 с. ил.;1. АКТ

65. О сдаче в ярошшпленвую эксплуатацию ззажета "Шихта" (^toesT^x^rexHO*) для расчета редетгуры шихты, учета расхода сырья н регастрацш анализов химического состава сырья и навариваемого стекла.

66. Пос, Сазонове 29 аюйа -2000 г.

67. Перечисленные замечания в работе начета устранены. Пакет приввт в промышленную эксплуатацию 29 mom 2000 г.

68. Начальник центральной Руководитель проекта "Стекло", .заводской лаборатории Начальник отдела системного ОАО "Покровский Стекольный1. Завод" . Щ В. В.

69. Глатенко Н. А. " с* Сх Дрогра&шиет1. Яаав Р. И.

70. УТВТМДЛЮ» Texrai4ecj63^p^&m»p OAанод )ин Л J'1. АКТо сдаче и опытную эксплуатацию экспертной системы дия управления оксидным составом стекломассы в печи ванного типа №2 ОАО "Покровский Стекольный. Завод''1. ЭКСКУРС")1. Сазоново1. Q декабря 2000 г.

71. Глашая задача опытной экенлуатащш передаваемой системы состоит в ее воснии ответствеиными пользователями, дальнейшем тестировании!и, получении мечаний и предложений но организации пользовательского интерфейса.

72. Система оттестирована на контрольных примерах, снабжается струкцисй но иепшьзованию, описана в отчетах по проекту «Стекло»., ■авпый технолог (ЗЛО «1.1СЗ» Руководительjjpqera^. «Стекло»

73. Качалова Е. Г. . /^^С/Иванищев BJB.сое.т отраслиПлашши 1 фон раммиск ив Р.И,