автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка имитационных моделей и систем для исследования и проектирования автоматизированных технологических комплексов (на примерах металлургического производства)



са

<-1

к

РОСССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ

на правах рукописи БЕЛОВ Александр Дмитриевич

Разработка имитационных моделей и систем для исследования и проектирования автоматизированных технологических комплексов (на примерах металлургического производства)

Специальности:

05.13.16 - Применение вычислительной 'техники, математического моделирования и

математических методов ' в йауЧМйх

исследованиях.

05.13.06 - Автоматизированные системы управлеййя

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандитата технических наук

Москва -1993 г.

Работа выполнена в Институте проблем управления РАН

Научный руководитель: кандидат технических наук

Власов С. А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических, наук,

Ведущая организация: Московский институт стали и сплавов

на заседании специализированного совета Д 002.68.03 Института проблем управления по адресу: 117806, Москва, Профсоюзная ул. 65

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем управления.

профессор, В.В.Калашников кандидат технических наук, доцент СА.Косяченко

Защита состоится

Аа^^и^ г. в ¿У

час.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук Власов С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Одной из тенденций развития современного производства является интеграция смежных технологических процессов в один автоматизированный технологический хомплекс (АТК). В АТК взаимосвязь технологических процессов осуществляется на основе функционирования автоматизированных алгоритмов управления, совокупность которых образует один из компонентов АТК.

Комплексное исследование взаимосвязанного функционирования технологических и организационных компонентов АТК на предварительных этапах проектирования обеспечивает значительное улучшение характеристик АТК. Важным этапом в интеграции исследований функционирования организационных и технологических компонентов АТК является разработка и внедрение в практику проектирования автоматизированных средств для проведения рассматриваемых исследований, с. помощью которых решается задача согласованного выбора состава оборудования н управляющих подсистем.

Одним из таких средств является метод машинной имитации. Однако в настоящее время опыт разработки и использования имитационных моделей и систем для. проведения выделенных исследований функционирования АТК непрерывно-дискретного типа, к которым относятся рассматриваемые в диссертации АТК металлургического производства, ограничен.

Исходя из вышесказанного, представляется актуальным развитие теории имитационного моделирования и создание на этой основе проблемно-ориентированных имитационных моделей н систем для проведения выделенных исследований АТК непрерывно-дискретного типа, в том . числе объектов металлургического производства, рассматриваемых в диссертации.

Целью диссертационной работы является создание и внедрение в практику исследований и проектирования АТК систем имитационного моделирования, предназначенных для решения задач согласованного выбора состава оборудования н параметров управляющих подсистем АТК. а также для анализа н синтеза оперативных и календарных планов производства. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1.Исследование процессов проектирования выбранных в качестве примеров производств для выделения задач, решение которых определяет согласованный выбор состава оборудования и управляющих

систем.

2.0боснЬШйс использования метода имитационного моделирования для решения выделенных задач.

3.Формирование структуры программного и информационного обеспечения имитационных систем и моделей, которые ориентированы на использование в выделенных исследованиях АТК.

4.Анализ особенностей выделенных исследований АТК и на его основе выбор языковых и программных средств реализации имитационных моделей.

5.Разработка для ряда конкретных металлургических производств нмнтацййниых систем, опыт создания и использования которых обобщается 6 'Методику построения и использования имитационных моделей АТК. ■ ориентированных на решение поставленных задач и реализуемых в среде языковых и программных версий семейства ОРББ.

б/Совершенствование и адаптация к различным условиям эксплу-атаций разработанных алгоритмических и программных средств имитации, процедур анализа и синтеза проектных решений, а также процедур взаимодействия пользователей с процедурами исследований.

Ме'годы исследования. В основу исследований диссертационной работы -положены методы системного анализа и имитационного моделирования. Проверка обоснованности предложенной методики и разработанных моделей проводилась на основе реальных проектов ряда Металлургических комплексов.

ЙЬ'уЧйа'Ь 'новизна состоит в :

- формировании комплекса человеко-машинных процедур для решения задачи согласованного выбора состава оборудования и управляющих подсистем АТК на основе имитационного моделирования организационнио-технологических аспектов функционирования АТК и синтеза интегральных показателей эффективности функционирования;

- разработке структуры информационного и программного обеспечения имитационных систем, предназначенных для исследования организационных и технологических характеристик функционирования рассматриваемых АТК;

- методике построения Имитационных моделей организационно-технологического функционирования АТК в условиях применения языковых и программных средств семейства ОРЗБ;

- разработке моделей и программ имитации для ряда конкретных производств комплекса "Сталь-Прокат", в которых предложены и исследуются оригинальные эвристические алгоритмы организации

производства.

Практическая ценность. Результаты работы доведены до уровня программ ЭВМ н являются основой методического, алгоритмического и программного обеспечений систем автоматизированного проектирования производств комплекса "Сталь-Прокат", которые внедрены в ряде институтов по проектированию металлургических заводов (САПР "Сталь" и САПР "Прокат"). Использование разработок позволило повысить качество и обоснованность проектных решений за счет многовариантности н детализации их проработки, что позволило обосновать сокращение капитальных и эксплуатационных расходов на проектируемых объектах (сокращение излишков основного и вспомогательного оборудования, устранение "узких мест" в производстве, экономия энергетических ресурсов и т.д.).

Использование результатов работы при анализе реконструируемых объектов помогает обосновывать этапы освоения производственных мощностей, обеспечивает рациональное использование оборудования при изменениях в технологии или в производственных программах.

Применение разработок повышает уровень аналитической рабезтц пользователей-проектировщиков за счет звтрматизированного проведения расчетов и формирования на машинный носителях аналитической информации, используемой для организации и^7ргрнрава1(цой систему проектирования рассматриваемых объектов.

Внедрение. Результаты диссертации были ксг^ьэовз^н рри выполнении ряда договоров Институту проблем управлении р институтами по проектированию металлургических заводу (ГИП^ОМЕЗ, ЛЕНГИПРОМЕЗ, УКРГИПРОМЕЗ и УРАЛГИПРО.ЧЕЗ), вмюЧР!'« в сорТЗЙ отраслевых САПР "Сталь" и САПР "Прокат". ОбшяИ экономически}] эффект от внедрения разработок составу бо^рр 220» тме.рубЛРЙ В ценах до 1990 года.

Апробация работы. Материалы диссертации (>щл!1 доложен ц обсуждены на Международных симпозиумах и секщ/^рах: "Алгоритму оперативного планирования и управления производством" (Карловы Вары, ЧССР, 1988г.), "Имитация систем" (Одесса, 1990г); на Конференциях молодых ученых Института проблем управления, а также на других конференциях и семинарах.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 1 без соавторов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения и трех глав, списка литературы из наименований, приложений. Объем

основного текста диссертации - 143 машинописных страниц, 27 рисунков, 14 таблиц. Приложения включают - 78 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются ее . цель и решаемые в ней задачи, характеризуются научная новизна и практическая ценность работы, дается краткое изложение по главам.

В первой главе на примере производств комплекса "Сталь -Прокат" описываются основные особенности и этапы проектирования АТК непрерывно-дискретного типа. Выделяется ряд взаимосвязанных задач, .решение которых реализует интегрированное проектирование оборудования и управляющих подсистем АТК. Описываются основные особенности ' исследований организационно-технологического функционирования АТК непрерывно-дискретного типа. Обосновывается использование метода имитационного моделирования для решения выделенных задач. Предлагается структура имитационных систем (ИС), которые предназначены для анализа и синтеза проектных решений в составе системы автоматизированного проектирования (САПР АТК).

Анализ структуры процесса проектирования объектов металлургического производства показывает, что . на предварительных этапах проектирования решаются следующие взаимосвязанные задачи: определение характеристик сортамента выпускаемой продукции и исходных материалов; определение состава и характеристик технологических процессов; определение количественного ' состава, характеристик и агрегатов основных и вспомогательных производств, выбор схемы их размещения; формирование правил организации взаимодействий смежных технологических процессов; декомпозиция долгосрочных плановых заданий на выпуск продукции по краткосрочным периодам функционирования. Выбор рациональных проектных решений основывается на анализе соответствующих производственных мощностей. В рассматриваемых исследованиях производственная мощность АТК определяется ках множество Парето в пространстве показателей объемов производства по видам продукции на множестве рациональных способов планового функционирования АТК.

Объем и достоверность информации, которая доступна на предварительных этапах проектирования, и особенности АТК металлургических производств, рассматриваемых в качестве примеров, определяет эффективность применения в выделенных исследованиях метода имитационного моделирования. Одной из особенностей выделенных ис-

следований является необходимость решения задачи определения реализуемости и эффективности предлагаемого организационного и алгоритмического обеспечения процессов производства (управляющих подсистем АТК). «Для решения этой задачи необходима имитационная модель организационного функционирования АТК. Использование этой модели в решении других выделенных задач проектирования требует включения в ее описание особенностей функционирования технологических компонентов АТК, В результате такого включения формируется модель организационно-технологического функционирования АТК (ОТ-модель), основной особенностью которой является детальное описание организационных компонентов АТК (на уровне оперативного управления) при значительном упрощении „- технологических. Комплексное решение выделенных задач основывается на использовании большого объема общей информации и однотипных алгоритмов моделирования и определяет целесообразность построения многоцелевой ОТ-моделн.

Многоцелевой характер ОТ-моделн формирует определенные требования к методическому, программному н информационному обеспечению ИС, использование которой предполагается в составе САПР АТК. На рис.1 представлена предлагаемая укрупненная структура программно-ного и информационного обеспечения ИС САПР АТК. Взаимодействие проектировщиков и ЭВМ в процессе исследований (формирование исходных данных, формирование вариантов функционирования, проведе-дение экспериментов, анализ результатов моделирования или их синтез) реализуется с помощью системы организации меню пользовательских процедур (монитора процедур САПР), которая должна обеспечивать возможность параллельного режима в разработке программного обеспечения, гибкого изменения функциональной структуры ИС САПР АТК, интеграции (приемственности) ИС САПР АТК и АСУП АТК, а также интеграции исследований смежных АТК.

Специфика выделенных задач проектирования (в частности, учет процессов оперативного управления) и ;характеристики технических средств (объемы оперативной и внешней памяти ЭВМ, разрядность и т.д.), с помощью которых предполагается осуществлять, имитацию, ограничивает продолжительность периода моделирования от смены до недели или декады. Другой причиной ограничения периода моделирования является невозможность эффективного планирования производственной ситуации на более продолжительный период. В связи с этим исследования, которые связаны с; определением характеристик

долгосрочного функционирования, необходимо реализовать на основе синтеза результатов исследований характеристик способов их крат-

Нормативныех ар а к т ери с -ики входных материальных потоков_

С

Комплекс программ процедур ведения базы вариантов входных материальных потоков _

X

Варианты планируемых вхо дных материальных потоков (Плановые графики работы агрегатов начального производства) В ={Ь.}

Норма т и ■ ные характеристики составления графиков работы агрегатов конечного п ро и з»одет в а_

Комплекс программ процедур ведения базы » а-вариантов графиков работы агрегатов конечного производства

Варианты плани руемых графиков работы агрегатов конечного производства Е = { е . }

Нормативные хараи -теристики вариантов

объекта

ТЕ

(Ок)

Г

Комплекс программ ведения нормативной информации по объек-1 гам проектирования

Компле к с программ составления, корректировки и удаления вариантов краткосрочного функционирования

Со с тоя иие

незавершенного . , производства 2—[г.] НС '

В ари анты с пособов кратко-с роч ного ф уи к цио-н иро вания

\Ук={«к}

о грамма имитации краткосрочного фуикциониро -вания базового объекта (имитационная модель)

Конечное сос тоя-ние незавершен— ного производств а

р"

(раздел- р^)

1г

Расписание функционирования основных агре гатов

(раздел-г*[)

Обобщен н ые пока— затели функционирования способа

(разд е л-т~

)

ГКомплек с программ процедур

анализа результатов I моделирования

Рациональные способы краткосрочного функционирования объекта

( множество

Комплекс программ составления и анализа способов дол госрочного функционирования

Р ацион ал ь ные способы долгосрочного функционирования объекта (производственные

мощности объета Мк)

Рис. 1

косрочного функционирования. Исходя из этого, предлагается следующая схема решения задачи оценки производственной мощности ЛТК.

Исследование АТК связано с определением нескольких вариантов' состава оборудования. Значения нормативных характеристик к-го варианта АТК, которые неизменяются в течение долгосрочных периодов функционирования, составляют информацию файла-Ок (к-номер исследуемого варианта). Для каждого к-го варианта АТК пользователи формируют множество = {ш1?} , где \vlS- ¿-ый способ краткосрочного функционирования к-го варианта АТ^

о Среди нормативных характеристик АТК можно выделить параметры, которые могут принимать различные значения во время краткосрочного функционирования АТК- Примерами таких параметров являются параметры алгоритмов управления АТК (специализация оборудования, принцип выбора оборудования для следующей операции и т.д.). Конкретные значения изменяемых параметров управления АТК, кото; ле

к

используются во время функционирования способа образуют

информацию файла типа и^.

Для исключения из периода моделирования интервала времени, при котором происходит первичная загрузка оборудования, необходимо формирование в модели начального состояния основных элементов АТК на базе информа ии специального файла исходных данных г1?, который описывает состояние незавершенного производства в начальный момент моделируемого периода. Информация файлов г!? формируется либо проектировщиком, либо совпадает с информацией файла р^ (описание конечного состояние незавершенного производства АТК), который формируется программой ОТ-модели в процессе имитации

¡-го способа функционирования. Заметим, что в случае совпадения к к к

г, и Pj способ определяется как "циклический". Совпадение структуры информации в файлах описания начального и конечного незавершенного производства позволяет организовывать стоп/стартлый режим имитации долгосрочных способе функционирования.

Для эффективного построения различных л»^ проектгчовщикам необходимо иметь средства формирования конкретных характеристик входных и выходных материальных потоков. В общем случае выходное материальные потоки АТК представляются плановыми календариь.ми графиками функционирования агрегатов конечного производства [элементами множества Е={е.}), которые формируются с помощью комплекса программ процедур ведения базы вариантов графиков работы агрегатов конечного производства. В состав этого комплекса

входят программы составления вариантов, их анализа н корректировки, а также удаления информации по неактуальным графикам. Составление е, осуществляется либо самим пользователем, либо на основе имитационной модели реализации: долгосрочных программ про-* нз во детва или имитационной модели требований производств, следу-г ющих за исследуемым АТК. Входные материальные потоки АТК можно представлять с помощью плановых календарных графиков работы агрегатов начального производства (элементами множества В«{Ь,}), которые формируются с помощью хомплекса программ ведения базь? планируемых входных материальных потоков. В состав этого комплекса входят программы составления вариантов, их анализа н корректировки, а также удаления информации по неактуальным графикам. Составление Ь, осуществляется либо самим пользователем, ли- ' бо на основе имитационной модели реализации долгосрочных программ производства или модели функционирования производств, предшествующих рассматриваемому АТК. Такое представление о ОТ-модели входных/выходных материальных потоков создает предпосылки для ее использования задачах анализа и синтеза оперативных планов, а также для интеграции ИС исследуемого АТК с ИС смежных с ним АТК.

Исходя из вышесказанного, способ определяется: совокупностью файлов и параметров .), где ^ -продолжительность периода моделирования.

В-общем случае моделируя у^ по ОТ-модели АТК, программа имитации (МО) файла р*, регистрирует расписания функциони-

рования агрегатов основного н вспомогательного оборудования или обработки единиц материальных потоков (файл ф, а также обобщенные характеристики функционирования (файл с*).

•—>-(Р|» г*, с* ) .

Анализируя информацию файла с^, проектировщики определяют целесообразность формирования информации файла Ькоторая необходима для детального .исследования качества функционирования у*. В состав Ь^ обычае входят объемные показатели выпуска по видам продукции (V * ? где я-номер вида продукции), использование фондов рабочего времени агрегатов основных производств ({¿..где о- номер агрегата в АТК). характеристики выполненных операций переработки единиц материальных потоков и т.д. Совокупность программ процедур формирования и аналнаа информации файлов р^, г^ и с^ образуют комплекс программ МА. Заметим, что информация файла г||

используется в анализе логической правильности функционирования ОТ-модели в соответствии с формализованным описанием функционирования АТК.

МА: гк- -> Ьк. ] ]

Разделение процедур анализа результатов моделирования на два уровня позволяет сократить использование основных ресурсов технических средств имитации (оперативной памяти, времени моделирования и т.д.) и создает предпосылки для использования ОТ-модели АТК. в решении различных задач проектирования путем изменения со-тава информации раздела Ик .которое связано с реализацией дополнительных программ анализа расписаний и не связано с изменением программ ОТ-модели.

Анализируя исходные данные и результаты моделирования способа

\ук, принимается решение о его представительности (типичности) и ) 1, эффективности. Если решение положительно, то описание

дополняется разделами рк ,ск ,Ьк , образуя описание

хи= ( Ок . 1к, Ь. , е. , и1? , I. , рк , с1? , Ьк ) € Хк ] * Л J Л Л Л

рационального способа функционирования к-го варианта АТК в период Г (элемента хк* множества Хк). В противном случае проектировщики переходят к формированию нового способа.

Для определения производственной мощности АТК (Мк) в период Т (где Т- месяц, квартал или год) необходимо синтезировать характеристики способов долгосрочного функционирования АТЧ (#кТе Синтез 5/кТ основывается на построении последовательности У={с1|®хк',/=1,Ь}, где обозначает кратность включения хк*€ Хк в синтез. Последовательность У является допустимой, если выполнены следующие условия синтеза:

-А1- Условие декомпозиции временного периода Т на состаг чя— ющие периоды Т=£

-А2- Условие выполнения ограничений на использование фондов рабочего времени агрегатов' основного оборудования где лимит времени использования а-го агрегата к -го вариантг АТК в период Т.

-АЗ- Условие эквивалентности промежуточных состояний незавершенного производства ^Е Р/ V /=2+Ь .

Формирование характеристик способа йктможно получить с помощью стоп/стартного режима имитации, а также на основе "логической свертки" значений соответствующих характеристик

показателей функционирования краткосрочных способов, включенных в

синтез (например, V"kT=£ d^»Vj|nanB показателей объемов выпуска

п-го вида продукции). Программы "логической свертки" результатов

моделирования образуют основу комплекса программ составления и

анализа способов долгосрочного функционирования. В случае возмож-

~ кТ

ности формализации процессов синтеза Wj этот комплекс включает программы автоматизированного синтеза, которые оптимизируют последовательность У в соответствии с заданным критерием (например, максимизация выпуска определенной позиции сортамента).

Заметим, что построение последовательности Y отражает стра-гию проектировщиков на использование долгосрочных лимитов фондов рабочего времени основных агрегатов и временную декомпозицию долгосрочных плановых заданий на выпуск основных видов продукции.

Во второй главе описываются структура и основные особенности ОТ-моделей АТК металлургических производств, которые предназначены для использования в составе ИС САПР АТК со структурой, предложенной в первой главе диссертации. На основе анализа' ряда универсальных языков и систем моделирования обосновывается целесообразность использования в разработке ОТ-моделей рассматриваемых АТК конструкций универсальной системы моделирования GPSS (General Purpose Simulation System) и средств их программных реализаций (семейства GPSS). Рассмотрены основные особенности построения ОТ-моделей различных типов ''при использовании семейства GPSS, что в совокупности составляют методику построения ОТ-моделей с помощью семейства GPSS.

В общем случае структура описания ОТ-модели соответствует структуре исследуемого АТК и состоит из следующих взаимосвязанных разделов: диспетчер времени моделирования (ДВМ); описание исследуемых материальных потоков (МП); описание исследуемых состояний агрегатов основного и вспомогательного оборудования (ОБ); описание исследуемых алгоритмов управления и используемых в них информационных потоков (УП);

Особенности рассматриваемых АТК приводят к построению моделей, которые отличаются от классических моделей систем массового обслуживания (СМО). Однако представляется возможным сохранить в формализованном описании ОТ-моделей основные понятия и конструкции СМО при незначительном расширении их интерпретации.

Сжатые сроки исследований, многоцелевой характер ОТ-моделей, постоянное уточнение моделей при углублении исследований обуслав-

ливают эффективность использования в1 разработке ОТ-моделей языковых и программных средств универсальных систем моделирования типа ОРЗБ. Использование языка ОРББ в разработке ОТ-модели позволяет сократить описание и разработку раздела ДВМ за счет использования системных средств ОРББ по организации механизма продвижения модельного времени. Сегментная структура ОРвБ-программ позволяет эффективно использовать в разработке программы ОТ-модели структурное описание функционирования АТК, способствует прозрачности в понимании функционирования модели, создает условия для гибкой модификации ОТ-модели (например, алгоритмов управления или графов состояний агрегатов). Развитые средства сбора статистики и тестирования программ, которыми располагают большиство программных реализаций языка С!Р55, • позволяют существенно сократить сроки разработки программы ОТ-моделн.

В разработке сегмента ДВМ важнейшим вопросом является определение единицы изменения модельного времени, которая зависит от требуемой точности определения времени реализации любого события в АТК. В этом же разделе описываются события и процедуры, которые реализуются в заранее определенные моменты моделируемого периода (например, начало (конец) периода, начало (конец) рабочёй смены, моменты изменения параметров алгоритмов и т.д.).

В сегменте МП на основе анализа характеристик входной/выходной продукции и состава технологических процессов определяются виды и параметры единиц моделируемых материальных потоков. Для каждого вида единиц материальных потоков формируется множество возможных организационно-технологических маршрутов (ОТ-маршруты) обработки в конечный продукт АТК, каждый из которых описывает возможную последовательность технологических операций переработки и их нормативные временные характеристики.

Сегмент ОБ описывает виды, параметры и моделируемые состояния агрегатов основного и вспомогательного оборудования АТК, а также правила перехода агрегатов оборудования из одного состояния в другое в различных производственных ситуациях. В общем случае графах моделируемых состояний технологических агрегатов можно выделить на следующие виды состояний: организационное оидание, пребывание в котором определяется производственной ситуацией в АТК; технологическая обработка, продолжительность которой определяется характеристиками обрабатываемой единицы МП; выбор управления, в котором происходит определение дальнейшего ОТ-маршрута о{5-

рабатываемой единицы МП; вспомогательная операция, продолжительность которой определяется характеристиками агрегата (например, плановые ремонты). Такая классификация состояний, обусловлена разль ,ными способами синхронизации моделируемых состояний агрегатов с состояниями других элементов модели.

Сегмент УП включает в себя описание алгоритмов (в частности эвристических правил) организации производства, которые составляют обобщенный алгоритм управления АТК, а также процессы возникновения (доступности) и параметры' информации, циркулирующей в них. Функционирование эвристических алгоритмов АТК интерпретируется поведением "диспетчеров организации производства АТК" в процессе принятия решения в конкретных ситуациях. Одним из вопросов в формировании УП является выделение из технологической цепочки АТК производства "ведун о звена", функционирование которого существенно определяет эффективность комплекса в целом. Производства "ведущего звена" характеризуются существенным использованием дорогостоящих ресурсов (электроэнергии, тепла, материальных ресурсов на создание и эксплуатацию и т.д.), а также значительной сложностью в реализации управления процессами по сравнению с другими производствами.

Для АТК, в которых производство "ведущего звена" находится в начале технологической цепочки, основной целью алгоритмов УП является планирование и регулирование маршрутов переработки единиц входного материального потока до конечного продукта, которые в оби'ем случае включают несколько производств АТК- В ОТ-мОдели таких АТК предполагается минимальная возможность изменения характеристик входного потока, которые определяются графиком планового функцннирования агрегатов ''ведущего звена" и значительная свобода в режиме выдачи готовой продукции. Такие модели автор относит к п; ямым ОТ—моделям, так как основными элементами информации алгоритмов УП являются текущие значения характеристик единиц МП и плановое использование агрегатов всех последующих операций. Характерной особенностью исследований, проводимых с помощью прямых ОТ-моделей, является определение рациональных характеристик режимов выдачи готовой продукции при заданном входном потоке.

Для АТК, имеющих производство "ведущего звена" в конце технологической цепочки, основной целью алгоритмов УП является организация обеспечивающих производств для максимальной реализации заданного режима выдачи готовой продукции, который определяется,

главным образом, плановым графиком работы агрегатов производства "ведущего звена". В ОТ—моделях таких АТК предполагается достаточно свободный режим входного материального потока при минимально возможном изменении выходного. Такие модели автор относит к обратным ОТ-моделям, так как основными элементами информации алгоритмов УП являются характеристики планового выходного потока и текущее состояние элементов материальных потоков, необходимых для реализации технологических операций производств "ведущего звена". Характерной особенностью исследований, проводимых с помощью обратных ОТ-моделей, является определение характеристик входного материального потока, необходимого для наиболее полной реализации планов выпуска продукции.

Для АТК, в которых производства "ведущего звена" находятся как в начале, так и в конце технологической цепочки, построение алгоритмов АТК, которые бы учитывали характеристики начальных и конечных производств, значительно затруднено, так как отсутствует свобода в изменении режимов входного и выходного материального потока. Для исследований таких АТК формирую ■.•я модели, которые автор относит к координационным ОТ-моделям. В этих моделях целью алгоритмов УП является координация только смежных производств (без учета информации о плановом использовании агрегатов других производств). Характерной особенностью исследований, проводимых с помощью координационных ОТ-моделей, является определение согласованности заданных плановых режимов поступления полуфабрикатов с режимом выдачи готовой продукции, а также поиск рациональных параметров координации в различных производственных ситуациях.

Структура ИС САПР АТК, которая предложена в первой., главе диссертации, взаимодействие динамических элементов сегментов ОТ-моделей обуславливают необходимость реализации в программах имитационных экспериментов следующих процедур: обмен информацией между файлами внешних носителей ЭВМ и переменными модели в оперативной памяти', обмен информацией параметров между транзактами\ определение времени реализации критических событий для компонент, которые имеют непрерывный характер. Реализация этих процедур наиболее эффективна с помощью универсальных языков программирования. В связи с этим, была проведена работа по совершенствованию и адаптации к различным условиям эксплуатации комбинированных средств программирования, состоящих из средств ОРББ и универсальных языков программирования.

В третьей главе описывается ряд реализаций ИС САПР ЛТК металлургического производства "Сталь-Прокат", разработка н использование которых осуществлялись в соответсвии с результатами, полученными в первой и второй главах диссертации.

АТК "Прокатный цех"

Для рассматриваемой реализации ИС САПР АТК в качестве объекта исследования был выбран АТК, - структура которого представлена на рис.2 . На этом же рисунке показана укрупненная структура материальных потоков АТК, единицей которых является партия заготовок одной плавки сталеплавильного агрегата (ПЗ).

" на МНЛЛ

Хране ние холод иых заготовок

Подо г рее зато т опок

Рис.2

Выходная продукция АТК подразделяется на девять групп укрупненных марок металла н на двадцать пять групп профилей проката. Непрерывная разливка стали в слитки осуществляется а разливочном отделении АТК, которое может содержать до трех одинаковых МНЛЗ, Режим работы каждой МНЛЗ определяется плановым графиком работы, ц котором указывается последовательность ПЗ, разливаемых методом "плавка на плавку", с указанием плановой продолжительности операций разливки каждой ПЗ и каждой операции планового ремонта. В графиках работы МНЛЗ марка металла для ПЗ не определена. Для ПЗ определенных групп марок при синхронизации режимов выдачи ПЗ из МНЛЗ и поступления на прокатный стан возможна организация маршрута "прямой транзиткоторый состоит в непосредственной передаче ПЗ от МНЛЗ на прокатку сортовым станом. Для организации такой синхронизации алгоритмы управления АТК могут изменить продолжи-жительность плановых операций графиков работы МНЛЗ.

Склад холодных заготовок не формирует ограничений на работу АТК- Хранение теплого металла осуществляется отделением хранения теплого металла, которое может содержать до шести одинаковых

-] Разливна металла б слитйТ

Хранение теплых заготовок

тт

а г рев заготовок

Прокатке заготовок _сортовом стане

ягроглтов (термосов- копилышков или ТК). Объем садки ТК (объем хранения металла) равен объему металла одной ПЗ. Возможна реализация двух режимов выдачи металла из ТК на прокатку:"теплый транзит", который предполагает накопление в агрегате всех заготовок Одной плавки, хранение их неограниченное время с последующей выдачей ПЗ на стан; "комбинированный", который предполагает бозможность одновременного поступления заготовок от МНЛЗ и выдачу части заготовок на прокатку. Подогрев заготовок осуществляется за одно нормативное время в подогревательном отделении, которое может содержать до трех одинаковых подогревательных печей с Шагающими балками (Я/7), масса садкн (объем нагреваемого металла) которых равна массе металла двух ПЗ. Конструктивные особенности ИП ограничивают режимы поступления и выдачи металла.

Нагрев ПЗ осуществляется за различные нормативные времена [Но маркам металла и способам загрузки н выдачи) в нагревательном отделении, которое может содержать до трех нагревательных печей с Шлгающими балками (НП). Конструктивные особенности НП накладывают ограничение на режимы загрузки и выдачи металла, которое включается в равенстве скоростей поступления и выдачи металла, а +<1кже в запрещении разрывов в загрузке печи. Исследовались три способа загрузки НП: "теплый посад" (из ТК), "подогретый посад' (йз /7/7) и "холодный посад" (со склада холодных заготовок). Последний режим рассматривался как аварийный. Предполагается, что в ЛТК одновременно может быть расположено несколько НП с различной массой садки (объемом нагреваемого металла), которая некратна объему металла одной ПЗ. Обработка в АТК свннцовосодержащих марок металла накладывает ограничения на одновременное использование для ПЗ этих марок ТК и НП, которые связаны рэзличнымн каналами газоочистительной системы.

Прокатный сортовой стан в рассматриваемом АТК имеет одну черновую группу оборудования и две чистовые группы: "мелкосортная линия" (МС) и "среднесортная линия" (СС), которые имеют различные производительности. Исследовались пять режимов работы стана: ремонт чеяновой группы; ремонт МС; ремонт СС; одинаковая производительность чистовых линий; соотношение между производителькостямн МС н СС линий равно 1:2. Каждый режим был представлен плановым графиком работы чистовых групп стана, который формировался на основе моделирования реализации долгосрочной программы производства с учетом назначения плановых ремонтов и приоритетности выполнения

заказов на готовую продукцию АТК. В работе стана предполагаются плановые простои в начале каждой смены, которые "разрывают" технологические операции в черновой группе агрегатов стана.

Исходя из описания АТК, было принято, что "ведущим звеном" АТК является сортовой прокатный стан. Поэтому в рассматриваемой реализации ИС САПР АТК была разработана обратная ОТ-модель АТК "Прокатный цех", особенностью которой является моделирование в составе раздела УП четырех эвристических алгоритмов: алгоритм определения продолжительности технологических операций МНЛЗ (АМ-1); алгоритм определения маршрута заготовок от МНЛЗ (АМ-2); алгоритм определения маршрута доставки заготовок для выполнения заказа прокатного стана (АС); алгоритм загрузки ПН (АН). Целью функционирования обобщенного алгоритма АТК являлось формирование расписаний функционирования агрегатов АТК, которые приводят к максимальному выполнению графиков работы линий стана при минимизации расхода тепловых ресурсов за счет минимизации режима "холодный .посад" и максимизации режима "прямой транзит".

Алгоритм АМ-1 инициируется МНЛЗ при завершении плановой операции соответствующего графика путем генерации транзакта "диспетчер АМ-1", который на основе анализа списка заказов на работу линий прокатного стана "диспетчер АМ-1" определяет возможность организации маршрута "прямой транзит" для заготовок следующей разливаемой ПЗ. Параметрами . этого алгоритма являются: специализация МНЛЗ, количество заказов стана доступных для анализа, ограничения на возможное изменение длительностей предыдущей и планируемой операции МНЛЗ.

. Алгоритм АМ-2 инициируется первой заготовкой плавки, разливаемой на МНЛЗ, путем генерации транзакта "диспетчер АМ-2", в параметрах которого, хранится возможное закрепление ПЗ ■ за конретным заказом работы стана и плановое время окончания операции разливки. На основе анализа планов загрузки линий стана и использования агрегатов типа ТК алгоритм определяет дальнейший маршрут обработки ПЗ. Параметрами алгоритма АМ-2 являются специализации МНЛЗ и ТК.

Алгоритм АС иницируется линией стана в момент начала плановой' операции прокатки путем генерации транзакта "диспетчер АС", который на основе анализа ситуации (загрузка НП и ТК) определяет возможность реализации заказа на прокатку. Параметрами алгоритма АС являются специализация МНЛЗ, ТК и НП по линиям стана.

Алгоритм АН инициируется в НП в момент ее необходимой загрузки путем генерации транзакта "диспетчер АН", который на основе анализа планов использования ТК и ПП определяет способ и характеристики загрузки НП. Параметрами алгоритма АН являются: специализация НП и металла в ТК по линиями стана; закрепление ПП за ЯЯ; доступность информации об использовании ТК.

Рассмотренная реализация ИС САПР АТК была использована в институте УРАЛГИПРОМЕЗ для исследования вариантов реконструкции Алапаевского меткомбината ПМО УРАЛЧЕРМЕТ. С помощью данной ИС были определены рациональные значения параметров обобщенного алгоритма ЛТК, сформированы типовые рациональные варианты краткосрочных производственных программ. На основе процедур синтеза производственных мощностей АТК были обоснованы количественный состав и характеристики основного оборудования, сформирована стратегия назначения плановых ремонтов, определены рациональные достижимые объемы производства по видам продукции. Программное обеспечение рассмотренной реализации ИС САПР АТК было ориентировано на использование ЭВМ серии ЕС с операционной системой СВМ. Программа ОТ-моделн была реализована пакетом ПМДС-ФОРТРАН.

АТК "Сталеплавильное производство - Разливочное производство"

Рассматриваемый АТК включает следующую цепочку технологических производств: сталеплавильное производство; . обработка металла инертными газами; вакуумирование металла; разливка металла в заготовки различными способами. Каждое производство, за исключением разливочного, состоит из агрегатов с одинаковыми характеристиками. Сталеплавильное отделение представлено агрегатами циклического действия: .конверторами или злектросталеплавнльными печами. Разливочное оборудование может быть одновременно представлено агрегатами различных типов (разливочными стендами и площадками, а также машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) различных видов). Каждый тип разливочного / оборудования по различному использует вспомогательное оборудование АТК (разливочные краны пролетов) по транспортировке металла. На движение разливочных кранов в АТК имеются ограничения.

Единицей материального потока , является массаг металла одной плавки сталеплавильного. агрегата (/7Л).: В описании АТК предполагается одновременная обработка. плавок нескольких (до девяти) групп укрупненных марок, каждая из которых имеет свой ОТ-маршрут

- 18 -

совокупность которых представлена на рис.3.

Одной из особенностей рассматриваемого АТК является отсутствие временных резервов в продолжительности операций по внепечной обработке металла, что делает невозможным организацию буферов между смежными прризводствами. В связи с этим эффективность фукционирования АТК существенно зависит от алгоритма планирования маршрутов обработки ПА от сталеплавильного агрегата до разливочного оборудования.

В описании рассматриваемого АТК сталеплавильное производство выделено как "ведущее звено" АТК. Исходя из этого, для ИС САПР АТК была построена прямая ОТ-модель, в разделе УП которой моделировались следующие алгоритмы: "Алгоритм планирования маршрута" (ПМ) и "Алгоритм определения скорости разливки" (СР).

8 И з готовлен и е плавни в сталеплавильном агрегате 1

X

Транспортировка ■ рабочую зону оборудования операций по обработке металла инертными газами

I

ЦОбработка металла инертными газами!

Транспортировка в рабочую зону оборудования операций по обработке металла ва к ууми рованием_

[Обработка металла вакуумированием 1

X

Транспортировка в рабочую зону разливочного оборудования

Разливка металла "в изложницы на разливочных площадках

Г

[Разливка металла • изложницы на разливочных стенда»

Ц Разливка металла в слитки на МНЛЗ I

Рис.3

Алгоритм ПМ инициализируется ПА в момент возможной ее выдачи из сталеплавильного агрегата путем генерации . транзакта "Диспетчер ПМ", который осуществляет просмотр планов загрузки требуемого оборудования для определения конкретного маршрута обработки для' этрй ПА. Основными параметрами этого алгоритма являются: последовательность просмотра оборудования;' принцип выбора агрегата из множества доступных.

Алгоритм СР инициализируется ПА в момент ее поступления на

МНЛЗ в целях определения времени проведения о.сновной операции разливки. Основными параметрами алгоритма СР являются: доступность информации о плановой организации входного потока; принцип определения скорости разливки. Эффективность функционирования алгоритма определялась увеличением серий плавок, разливаемых методом "плавка на плавку".

Рассматриваемая реализация ИС САПР АТК была использована в институтах УКРГИПРОМЕЗ и ЛЕНГИПРОМЕЗ для анализа и синтеза проектных решений, в том числе при реконструкции меткомбината икР.Дзержинского (ДМК). С помощью данной ИС были обоснованы состав оборудования на каждом этапе реконструкции ДМК, а также выработаны рекомендации по управлению комплексом (специализация оборудования, распределение готовой -продукции по видам и т.д.). Программы этой реализации были ориетированы на использование ЭВМ серии ЕС с операционной системой ОС или СВМ. Программы ОТ-модели были реализованы с помощью пакета ПМДС-ФОРТРАН.

АТК "Сталеплавильное производство — Непрерывная разливка"

Для рассматриваемой реализации ИС САПР АТК объектом исследований был АТК, структура производств которого представлена на рис.4. На этом же рисунке показана укрупненная структура материальных потоков АТК, единицей которых является масса металла одной плавки сталеплавильного агрегата (ПА). Выходная продукция АТК подразделяется на девять групп марок металла и на пять групп разливаемых сечений. В данной реализации предполагалось, что каждое технологическое отделение может содержать до четырех одинаковых агрегатов. Разливочное отделение представлено установками непрерывной разливки стали (УНРС).

Так как в описании рассматриваемого АТК было определено, что "ведущими звеньями" производства являются сталеплавильное и разливочное отделения, в данной реализации ИС была разработана координационная ОТ-модель. Описание технологических операций по вне-печной обработке предполагает возможность ограниченной координации смежных производств. Особенностью раздела УП является использование алгоритма "Определение дальнейшего маршрута обработки плавки", который инициализировался ПА после завершения обязательных компонентов технологической операции. Если алгоритм не способен определить дальнейший маршрут, то либо ПА возвращается в сталеплавильное отделение, либо задерживается до момента плани-

руемого снятия причин отказа в дальнейшем маршруте. Параметрами этого алгоритма являются допустимое увеличение продолжительности технологической операции и допустимое время ожидания разливки около УНРС, а также описание возможного замещения марки металла в плановом графике работы УНРС на другую. Эффективность варианта функционирования определялась минимизацией "сброшенных" плавок."

ИВыдача металламиа сталеплавильного отделения i ¡¡Обработка металла инертными гадами^—— 1Подогрев металла I

|Вакуумирование металла I—i

II Разливка металла на УНРС"*! .. .

возврат аварийного металл* в сталеплавильное отделение . fоперации "сброс")

Рис.4

Рассматриваемая реализация ИС САПР АТК была использована в Институте ГИПРОМЕЗ для исследования вариантов реконструкции Карагандинского меткомбнната. С ее помощью эксперты определили рациональные варианты фукционирования, долгосрочные производственные мощности, обосновали количественный состав основного оборудования. Программное Обеспечение данной ИС было ориентировано на использование ПЭВМ типа IBM с операционной системой MS-DOS. Программы ОТ-моделей были реализованы пакетом GPSS-PG Для реализа-зации процедур взаимодействия . "пользователь-ЭВМ" автором была разработана оригинальная система организации пользовательских меню процедур, которая применима в аналогичных условиях.

В приложениях приведены материалы, к йлюстрирующие входную и выходную информацию рассмотренных в диссертации ИС САПР АТК, а также материалы, которые подтверждают практическое использование и внедрение полученных результатов..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1) Предложена обобщенная схема для решения задачи согласованного выбора состава оборудования и управляющих подсистем АТК на основе имитационного моделирования организационно-технологических

аспектов функционирования АТК в течение краткосрочных периодов.

2) Разработана структура методического, программного и информационного обеспечения имитационных систем, предназначенных для комплескных исследований организационно-технологических аспектов функционирования АТК, в которых реализуются следующие особенности:

-моделирование краткосрочного функционирования;

-синтез характеристик долгосрочного функционирования на основе результатов моделирования краткосрочных периодов функционирования;

-формирование плановых реализаций . входных и выходных материальных потоков вне имнтацйонной модели;

'-два уровня анализа результатов имитационных экспериментов.

3) Предложена методика построения и использования моделей организационно-технологических аспектов функционирования АТК с помощью языковых и программных средств семейства ОРБЭ.

4) Разработаны имитационные системы для ряда производств комплекса "Сталь-Прокат", которые были применены в решении задач ■ согласованного выбора состава оборудования и управляющих систем. Использование этих систем характеризуется экономическим эффектом более 220 тыс. рублей в ценах до .1900 года.

5) Проведено совершенствование й адаптация к различным условиям эксплуатации программных средств имитации семейства ОРЭв И процедур анализа'и синтеза проектных решений.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1.А.О.Ве1оу, А.й. ЕМкоузк^, Б. А.У1а50У, А.Мо]ка.

ОрИтаПгасе Гипксе )егаЬи осИеуаггеп » рошШт 3|'ти1а1асшЬо

тос1е1и геаПгоуапеЬо V ¡агусе ОРвБ. С^!*, А5Р-Ви11е1т 1Г>ЮКОА, у.6, 1986, 3.268-270.

2. А.Д.Белов. Оптимизация состав* и структуры АТК сталеплавильного произведет*« с использованием имитационного моделирования. В кн.: Вопросы кибернетики. Оптимизация а сложных системах. /Под р«д. П. П. Пархоменко, М.: Научный со**т АН СССР по комплексной проблеме "Кибернетика", 1988, с. 30-37

3. А. Д. Бело*, С.А.Власо*, М. Выдра, А. Мойка, Я.Яида. Использование язык о* и систем дискретной имитации в задачах проектирования и упрааления аатоматизироааниыми технологическими комплексами непрерывно - дискретного типа. В кн.: Моделирование и идентификация производственных систем. М.:, Институт проблем управления, 1988, с. 17 - 27.

4. А. Д. Белов, И.Вайнбергер, М.Выдра, А.И.Тролкима, Я.Яида. Решение практических задач применения алгоритмов и' процедур имитационного моделирования * . САПР автоматизированных технолога-

ческих комплексов металлургического произведет»». В кн.: Моделирование и идентификация производственных систем. М. :, Институт проблем управления, 1983, с. 33 - 4t.

5. А. Д. Белов, С. А. Власов, А. И. Тропки на, И.Вайнбергер, А. Мойка, Й.Шплнхал, Я.Янда. Моделирование проблем управления с использованием имитационных систем в САПР автоматизированных технологических комплексов. В кн.: Сб. док. конференции "Алгоритмы оперативного планирования и управления производством", ЧССР, Карловы Сары, 1988, с.99 -105.

6. А. Д. Белов, С.А.Власов, М. Выдра, Й.Шплнхал, Я.Янда. Автоматизированное проектирование технологических комплексов в металлургии на основе машинной hmv /ацни. В кн.: Моделирование, идентификация и автоматизация проектирования производственных систем. М.:, Институт проблем управления, 1990, с. 5-13.

7. А. Д. Бело», И.Вайнбергер, Е.Киндлер, А.Мойка, И.Шплихал. Состояние разработок и анализ существующих языков моделирования непрерывно' - дискретных процессов. В кн.: Моделирование, идентификация н автоматизация проектирования производственных систем. М.:, Институт проблем управления, 1990, с. 20 -26.

8.S.A.Vlasov,A.D.Belov. Computer simulation applied to CAD of computerized technological complexes in metallurgy. Preprints of 7th IFAC Symposium on automation in mining.inineraf and metal processing. P.R.China, Beijing, August 1992, p. 200 - 206

Личный вклад автора. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем:

в [1,4] - разработка модели АТК "Сталеплавильные агрегаты-Разливочное оборудование", а также опыт ее использования;

в [3,7] - опыт использования языков и систем дискретного моделирования семейства GPSS в разработке моделей АТК непрерывно - дискретного типа;

в [5,8} - описание задачи определения производственных мощностей на основе результатов моделирования краткосрочных планов;

в [6] - разработка структуры имитационных систем, предназначенных для исследований организационно-технологического функционирования АТК производств комплекса "Сталь-Прокат", а также разработка модели АТК "Прокатный цех";

в [8] - разработка модели АТК "Сталеплавильное производство-

Непрерывная разливка" и программы ее имитации.