автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка систем автоматизации учета и балансирования ресурсов интегрированного производственного управления для предприятий минеральных удобрений

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт проблем управления им. В.А.Трапезникова

УДК 681 51 На правах рукописи

ТУМАНОВ Дмитрий Николаевич

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ УЧЕТА И БАЛАНСИРОВАНИЯ РЕСУРСОВ ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПРЕДПРИЯТИЙ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

Специальность 05 13 06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□030В027 1

Москва - 2007 г

003060271

Работа выполнена в Институте проблем управления им В А Трапезникова РАН

и Российском химико-технологическом университете им Д И Менделеева

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Гартман Томаш Николаевич

Научный консультант доктор технических наук

Курдюков Александр Петрович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Потоцкий Владимир Алексеевич

доктор технических наук, профессор Путилин Александр Борисович

Ведущая организация Московский Государственный

Университет Инженерной экологии

Защита диссертации состоится «18 » июня 2007 г в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002 226 01 при Институте проблем управления им В А Трапезникова РАН по адресу 117997, Москва, ул Профсоюзная, д 65 Телефон совета 334-93-29

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПУ РАН

Автореферат разослан «_»_2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

В К Акинфиев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В рамках комплекса основных задач, решаемых на химических предприятиях для обеспечения их эффективной, бесперебойной и рентабельной деятельности, достижения устойчивого преимущества в условиях конкуренции, особое место занимают задачи оперативного автоматизированного управления распределением и учетом сырьевых, материальных и теплоэнергетических потоков

Актуализация проблемы экономии (сбережения) сырья и теплоэнергоресурсов (ТЭР) на современных отечественных химических предприятиях, в том числе производства минеральных удобрений, обусловлена, с одной стороны, постоянно увеличивающимися суммарными и удельными затратами на производство и транспортировку, а с другой - высокими показателями роста эффективности производства при использовании различных технологических решений экономии ресурсов

Современные химические производства и в частности, производство минеральных удобрений характеризуются высоким уровнем автоматизации управления технологическими процессами (АСУТП) при непрерывно возрастающей интенсификации производства, тенденцией к внедрению современных автоматизированных систем управления качеством, переходом на толлинговые схемы, внедрением автоматизированных систем оперативного контроля себестоимости продукции и норм расхода ТЭР и сырья, оперативному распределению нагрузок по цехам при минимизации затрат на производство При этом обеспечивается непрерывный контроль производственной и экологической безопасности

Большинство российских предприятий химического производства до сих пор не оснащены в достаточной степени высокоточной измерительной техникой, не имеют современных систем управления основным производством (АСОУП), лабораторных информационных систем (ЛИС), систем контроля веса поступающего сырья и реализованной продукции, и как следствие, эффективно функционирующих комплексных информационно-управляющих систем (КИУС)

В этих условиях актуальны постановка и решение задач автоматизированного учета, распределения и балансирования сырьевых, материальных и энергетических потоков (САУ ТЭР и МП) на основе комплексных систем оперативного мониторинга на разных уровнях производственного управления

Цель работы. Целью работы является разработка концепции и методов построения КИУС для предприятий производства минеральных удобрений, осуществляющих решение широкого круга задач оперативного учета, распределения и балансирования теплоэнергетических ресурсов и материальных потоков (ТЭР и МП), разработка схем информационного и программного обеспечения (ПО) указанных систем, а также их внедрение

Методы исследований Для решения поставленных задач использовались следующие методы

• технологического обследования объектов автоматизации, 1

• построения логических моделей систем и баз данных,

• теории идентификации и адаптивного управления,

• статистической обработки данных и статистического моделирования для анализа и оптимизации систем

Научная новизна

• Исследована и теоретически обоснована возможность сбалансированного решения в режиме реального времени задач производственного управления на разных уровнях предприятия на базе единого информационного пространства

• Сформулированы принципы и решены задачи контроля распределения ТЭР и МП предприятия, их балансирования и согласования на базе мониторинга оперативных данных учета и управления технологическими процессами (ТП)

• Предложены и реализованы программно-алгоритмические решения, обеспечивающие совместное функционирование программных продуктов Трейс Моуд, iFix, Pi-System, SiqmaFine, ЛИС, обеспечивающих функционирование производственной и организационно-экономической систем управления предприятия производства минеральных удобрений

• Разработана и реализована методика расчета параметров потоков на основе оперативной информации имеющихся схем потоков, выявленных взаимосвязей и контроля достоверности получаемой информации

• Предложен и реализован алгоритм прогноза качественных показателей выпускаемой продукции с использованием достоверных данных реального времени (РВ)

Практическая ценность и реализация результатов Решение исследованных в диссертации проблем позволяет проводить разработку и осуществлять практическое внедрение систем управления нового поколения для разных уровней интегрированных информационно-управляющих структур на примере предприятий производства минеральных удобрений Синтезированная КИУС осуществляет функции оперативного контроля за работой основного оборудования, контроля движения, баланса и согласования ТЭР и МП, реализованные на основе современных информационных технологий

Разработанная методика проектирования информационных и логических структур продемонстрировала высокую эффективность при решении задач цифрового управления ТП, обеспечивая оперативный доступ менеджеров всех уровней к информации контроля ТП, учета, баланса ТЭР и МП, коэффициента использования химико-технологического оборудования, обеспечивая резкий рост эффективности принятия управленческих решений на разных уровнях производственного процесса

Высокую эффективность продемонстрировали

• применение программно-технических комплексов (ПТК) для решения задач повышения точности измерений,

• представленные методические рекомендации (регламенты) по реализации предложенных алгоритмов управления ТП,

• разработанное функциональное, информационное и математическое обеспечение системы контроля и управления

Применение предложенных алгоритмов и методик целесообразно для широкого класса производств, в том числе процессов производства минеральных удобрений

Практическая ценность полученных результатов подтверждается их использованием на ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» Разработанное информационное, математическое и ПО позволили достичь получения существенного экономического эффекта благодаря снижению затрат на производство, потребление сырья, эффективному использованию основного оборудования, повышению качества и сокращению выпуска продукции низкого качества

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции главных метрологов химической и нефтехимической отраслей промышленности (г Москва, 2004 г), Научно-техническом совете ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» (г Воскресенск, 2004 г), Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления (SICPRO'04)» (Москва, 2004), на пятой Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в России» (Москва, 2004 г), на семинарах Института проблем управления РАН и РХТУ им Д И Менделеева

Публикации результатов исследования. Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 7 печатных работах

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения Работа изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит рисунков и 10 таблиц Список литературы включает 72 наименования

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении кратко изложена проблема автоматизации контроля и управления крупнотоннажными предприятиями по производству минеральных удобрений в России, сформулированы цель и задачи работы, приведены основные научные положения, выносимые на защиту, дано краткое изложение содержания работы по ее разделам

В главе 1 приведен анализ современных концепций интеграции различных уровней АСУ промышленных предприятий, приведено обоснование актуальности разработки КИУС и определен стратегический аспект создания информационной системы и ее последущего развития, определены поставщики операционных систем и других программных продуктов для решения поставленных задач

Проанализированы различные концепции создания АСОУП химических предприятий Проанализирована стратегия развития информационных технологий на предприятиях химического производства

Наиболее распространенным на сегодняшний день способом сбора производственной информации на уровне планирования ресурсов является ручной ввод данных В систему планирования ресурсов предприятия ERP (Enterprise Resource Planning), или в автоматизированную систему управления производством (АСУП), исходная информация в основном попадает посредством ручного ввода учетных документов Использование ручного ввода снижает оперативность и, самое главное, достоверность этой информации, в противовес огромному объему

информации PB на уровне АСУТП Для автоматизации передачи информации из систем АСУТП в ERP многие предприятия используют встроенные инструменты интеграции в ERP или АСУТП, в зависимости от субъективных предпочтений Но, как показывает опыт, данный подход имеет множество ограничений Часто для интеграции данных используются специализированные программные продукты промежуточного уровня - системы оперативного управления производством MES (Manufacturing Execution Systems)

Системы, обеспечивающие информационную связь между подсистемами верхнего и нижнего уровней производственного управления на предприятии, должны прежде всего обеспечить интеграцию разнородных источников данных PB в единый производственный архив Как правило, источники данных территориально распределены Производственный архив должен обеспечить обработку, синхронизацию и долгосрочное хранение всех данных с исходной дискретностью Прикладные программные продукты должны обеспечить подготовку и передачу достоверной информации в производственные модули MES и ERP систем Одним из наиболее популярных в области такого ПО является PI System (компания OSI Soft)

Проблема интеграции перечисленных показателей производства сложна тем, что для управления различными технологическими процессами на одном предприятии используются АСУТП десятков различных производителей, в каждом случае имеющих определенную структуру данных и множество особенностей Для учета энергоресурсов также используются различные ПТК Например, для учета электроэнергии разработаны специальные требования к автоматизированным системам контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ), а для учета тепла или газа -соответственно, системы с иными спецификациями Для регистрации показателей качества создаются отдельные ЛИС, которые имеют определенную структуру данных и классификацию объектов и партий продукции

Возникает необходимость не только сбора и хранения данных, но их синхронизации, структурирования и перекодировки Для этих целей и создается единое информационное пространство производственных данных

Разработанная методика получения единого набора данных предоставляет широкие возможности в аспекте анализа и повышения достоверности данных посредством построения и адаптивной настройки математических моделей производственных процессов Например, для производственных модулей учета движения продукции и расчета себестоимости очень важен материальный баланс переработки сырья Материальный баланс, прежде всего, требует согласования, так как измеренные значения всегда содержат ошибку Поэтому равенства потребления сырья и получения продукции по измеренным значениям можно не получить Существует специализированное ПО, предоставляющее возможность рассчитать согласованный материальный баланс в разрезе установки, цеха, производства и завода в целом Кроме того, для принятия эффективных управленческих решений требуются не только массовые балансы по переработке сырья, но и энергетические - по соотношению полученных и израсходованных энергоресурсов Для решения данной задачи на уровне MES необходимо использовать специализированные решения по моделированию материальных и энергетических потоков Все

означенные функции наиболее эффективно могут быть выполнены с помощью приложения SigmaFine

Эффективность внедрения информационной системы зависит не столько от успешной интеграции данных АСУТП с производственными модулями MES и ERP, но и от того, насколько эффективно оперативная достоверная информация по всему производственному профилю будет использоваться для управления предприятием

Поэтому к функциям АСОУП предлагается отнести следующие группы задач Первая группа - функции управления производством с использованием специализированных алгоритмов и математических моделей производства, включая

• Оперативно-диспетчерское управление (PI System)

• Расчет согласованного материального баланса (SigmaFine)

• Мониторинг, учет и прогнозирование потребления энергоресурсов (PI System и SigmaFine)

• Мониторинг работы технологического оборудования (PI System, PlantAppliccation)

Вторая группа - взаимодействие с существующими и планируемыми к внедрению автоматизированными системами

• Управление качеством (ЛИС)

• Планирование производства

• Управление цепочками поставок и реализации

• Управление производственными модулями бизнес систем ERP (контроллинг, управление ремонтами и т д )

На уровне бизнес-процессов требуется только интегрированная структурированная информация как о технологических процессах, так и об объемах получения сырья, отгрузке продукции, лабораторных исследованиях качества продукции и сырья. Такие данные должны поступать в систему гораздо реже, чем данные реального времени от ТП

Таким образом, к недостаткам существующих систем автоматизированного управления (АСУ) на химических предприятиях можно отнести следующее

Во-первых, отсутствие единой системы измерений, приведенной к нормальным условиям, т е скорректированной по температуре и давлению учета, балансирования, решения задач контроля и учета потерь, на основе данных количественного химического анализа состава вещества тех или иных ТЭР и МП

Во-вторых, практически на всех предприятиях химического комплекса при балансировке не всегда учитывают закон сохранения масс и энергии при массовых и энергетических балансах, что приводит к ошибкам и потерям сырья и ТЭР в целом по предприятию.

В-третьих, недостаточность обеспечения эффективной интеграции MES и АСУТП с АСУ всех уровней в режиме PB

В работе проведен сравнительный анализ систем управления основным производством, существующих на рынке АСОУП, особенностей инфраструктуры PB современных АСУ и интерфейсов между автоматизированным информационными системами (АИС) бизнес-процессов и производств

На рис 1 приведена предлагаемая схема информационных потоков КИУС, обеспечивающая решение поставленных задач САУ ТЭР и МП и преодолевшая вышеуказанные недостатки

Г

КИУС

Пользователи

Рис 1. Структурная схема информационных потоков КИУС

В работе показано, что для оперативного управления производственными процессами целесообразно создание АСОУП, а также автоматизированной системы диспетчеризации (АСД), осуществляющей решение таких задач, как глобальный мониторинг производственной ситуации, осуществляемый в реальном масштабе времени с использованием методологии МЕЭ

Создание интегрированных программно-алгоритмических комплексов на базе единого информационного пространства предприятия предоставляет возможность мониторинга производственной ситуации и поддержки принятия решений для решения самых разнообразных задач анализ, прогнозирование, управление и т д (причем как для отдельных производственных процессов и ситуаций, так и всего

б

производства) Алгоритмы и соответствующие модели могут настраиваться в РВ с использованием как информации реального времени, так и ретроспективных данных Программно-алгоритмические комплексы, функционирующие на основе этих моделей, называются программными (виртуальными) анализаторами

Сегодня для контроля качества готовой продукции и затрат на ее производство в местах их возникновения с определением зон ответственности (здесь основными факторами являются ТЭР и МП) становятся все более актуальными следующие задачи

- оперативный учет, согласование и баланс сырья, материальных и теплоэнергетических потоков,

- прогноз качества продукции,

- управление ТП в соответствии с критерием минимизации затрат на производство с использованием алгоритмов управления на базе математических моделей ТП,

- синтез на основе полученных моделей ряда параметров ТП программных анализаторов качества с применением современных средств разработки, в частности, нейросетевых технологий

Основные технологические решения для реализации предложенных методик.

Для интеграции информационно-измерительных систем разных уровней в КИУС необходимы разработка и внедрение

• современных надежных весоизмерительных средств,

• программных анализаторов качества,

• приборов контроля и учета с выходом на локальную вычислительную сеть

(ЛВС),

• ЭСАОА-систем, адекватных конкретным технологическим процессам и техническим средствам автоматизации,

• вычислительных сетей предприятия (ВОЛС) с развитой информационно-измерительной системой

Непрерывно предоставляемая по информационной сети информация в виде массивов объемных (весовых) показателей, значения которых умножаются на ценовые (стоимостные) коэффициенты (на сегодня возможно, плановые), позволяет оценить показатели себестоимости, а также осуществить ее прогноз посредством адаптивных моделей, на основании которых (реальных данных и (или) прогноза) возможно принятие управленческих решений

Повышение эффективности работы оборудования - еще одна из важнейших для любого предприятия задач, т к рентабельность производства тесно связана с эффективной работой и использованием технологических ресурсов оборудования С этой точки зрения становится актуальной задача сбора информации о функционировании оборудования, его загруженности, времени и причинах его простоев, определение причин неадекватной работы оборудования и принятие мер по их устранению

В диссертации разработаны методы решения актуальных задач достоверного контроля, согласования и баланса ТЭР и МП одновременно с обеспечением минимизации затрат на производство продукции на различных участках

производства, а также разрабатывается методика синтеза основных функциональных модулей корпоративной системы управления предприятием, реализующей эти решения Исследование задачи повышения достоверности учета ТЭР и МП, а также обеспечения контроля и управления ресурсами осуществляется в РВ Проводится также анализ различных методов синтеза корпоративных систем управления предприятием

Для химических предприятий, в частности предприятий производства минеральных удобрений, такие разработки являются оригинальными

В главе 2 разработана концепция синтеза КИУС для предприятий производства минеральных удобрений, приведена краткая информационно-технологическая характеристика предприятия данного класса

Технологические установки (цеха) основного производства являются крупными потребителями сырья и энергоресурсов (электроэнергии, водяного пара, питьевой и технической воды, сжатого воздуха, газа) Для работы установок необходимы реагенты, расходуемые материалы на хозяйственные нужды

Для обеспечения основного производства указанными ресурсами на заводах имеются источники энергообеспечения и разветвленная сеть коммуникаций собственные теплоэнергетическая и газокомпрессорная станция, цех газо- и водоснабжения

На предприятиях имеются развитые системы железнодорожного и автотранспортного обеспечения с наличием весового хозяйства

Для осуществления непрерывного контроля качества перерабатываемого сырья, вырабатываемых компонентов и выпускаемой товарной продукции на заводах действует Центральный отдел технического контроля (ЦОТК) с разветвленной сетью цеховых лабораторий

Для совершенствования и контроля технологических процессов функционирует центральная лаборатория (ЦЛ), где помимо всевозможных технологических анализов проводятся также анализы по экологии - исследования химического состава воды и состояния окружающей среды Существует лаборатория входного контроля радионуклидов

Таким образом, предприятие производства минеральных удобрений, в частности ОАО «ВМУ», представляет собой сложную технологическую систему, работающую в непрерывно-периодическом цикле с множеством обеспечивающих цехов По предварительной оценке информационная мощность завода (количество измеряемых параметров) для решения задач АСОУП составляет более 3000 единиц

ПТК АСУ объединены средствами телекоммуникации в цеховые локальные вычислительные сети (ЛВС) Топология ЛВС, БСАОА и количество оборудования для каждого цеха определялись, исходя из территориальных особенностей расположения ЦПУ и объектов управления, количества параметров технологического процесса, количества автоматизированных рабочих мест (АРМ) операторов-технологов для ведения технологического процесса

Выполнен анализ существующих ПТК АСУТП и их функциональных возможностей Объем контролируемой информации действующих АСУТП превышает 5000 параметров

На время обследования для управления производством, на уровне диспетчеров и производственных служб используется (получаемая в основном по телефону) информация в гораздо меньшем объеме и агрегированном состоянии в виде таблиц и отчетов Это объясняется существующей технологией сбора и представления данных (ручная обработка), в соответствии с которой службы завода пользуются обработанными первичными данными, которые далее переводятся в справки, сводки и др готовые документы

Объем передаваемой информации в АСОУП составляет - 2170 параметров На предприятии действует АСУП, представленная на рис 2, где наиболее проработанной и функционально полной является подсистема управления финансовой и коммерческой деятельностью предприятия с реляционной базой данных Oracle

Для достижения и решения поставленных целей предложено объединение административных и промышленных объектов в единую информационную сеть ЛВС объединяет все АСУ в КИУС и обеспечивает коммуникацию пользовательских приложений аппарата управления с централизованными серверными средствами

Общий критерий управления основным производством предприятия (рис 3) формулируется в работе следующим образом

- обеспечение выработки на существующих производственных мощностях плановых объемов продукции заданного качества и ассортимента при минимальных затратах сырья, материалов, энергетических и трудовых ресурсов и минимальном отрицательном воздействии на окружающую среду

АСОУП в соответствии с указанным критерием должна обеспечить

• уменьшение размеров затрат на реализацию управляющих решений,

• положительную динамику качественных характеристик управления, влияющих на величину экономической эффективности управления

Затраты на управление кроме традиционных управленческих расходов (на данной стадии эта статья принимается как неизменяемая величина) включают также и затраты на информационное обеспечение деятельности управляющего персонала

Последние при определенных условиях, в свою очередь, оказывает существенное влияние на два других фактора качества управляющей деятельности

• упущенная выгода от несвоевременно принятых управляющих решений,

• оплата ошибочных решений, принятых при отсутствии необходимой (адекватной сложившейся ситуации) информации или на основании недостоверной (несвоевременной) информации

□

"К

Семеро ......-1

[[15

ЛОМ

О

: . .--

13

—.-I-!-

Управление продажи

Отдел сбыта

Упревр?ни^ финанадур экономической деятельностью

Управление скупками

Отдел ВЭС ^ ОТДСР ТНП

ПГ М т

РНУ51М2В113И!па

Материальна^ группа

Основные

■' ч *-

РУК

J I-

ЙЩ

Управление кадрами

ПК

ОПК

ОТиЗ

/правление качеством

иотк

——

Гяидипай

ртаеп --

Рис 2 Структурная схема р<?ма ДСУП

Обцум критерий управления основным производством ОАО "ВМУ"

Обеспечение выработки на существующих производственных мощностях плановые х объемов продукции заданного качества и ассортимента при минимальных затрат! ах сырья, материалов, энергетических и трудовых ресурсов и минимальном отриц|

ательном воздействии на окружающую среду |

\.....

Частные критерии управления основным производством

Рис 3 Декомпозиция общего критерия управления основным производством ОАО «ВМУ»

Общий критерий управления в аспекте реализации оперативного управления основным производством можно разделить на три составляющие - частные критерии

• обеспечение плановых объемов выработки и отгрузки продукции,

• обеспечение требуемых показателей качества товарной продукции,

• обеспечение минимальных сырьевых и энергетических затрат на производство продукции

Восходящий информационный поток - оперативная производственная информация от технологических участков, установок и цехов - обеспечивает верхний уровень сведениями о количестве переработанного сырья и выработанных продуктов, технологических режимах и их нарушениях, состоянии технологического оборудования, о потреблении сырья, ТМЦ, энергоносителей, затратах труда и др

Как показывает опыт внедрения АСУП (ERP), несмотря на высокие затраты, результаты не приносят ожидаемого эффекта Дело в том, что вся экономика предприятия заключена в производстве, и чтобы повысить эффективность предприятия, необходимо разработать информационную систему оперативного диспетчерского управления АСОУП, интегрирующую по вертикали оба уровня управления АСУТП и АСУП

ы

Цех серной кислоты

СК-41 ск-чз

к Я

Г|э£ог _

г ---3

Смесительная установка

I ^ I с«*""*' в«™™

О ; о »

~П-

Не? су^ьфоугяя

I

1_ . .Е.

Отделение бисульфита аммония

>1

Ори»* чистит» 754 п

Кэуслмсаая ссда

Цех ЭФК Аммофоса №2

Ч1

Отд. ЭФК МяЗ

лцг

I

д. Э<КК

Отд. Э®К

74

Орм*« >>

1

Мех аммиака

Цех Аммофос №1

ЦдХ аммофос N12

Цех НИУИФ

3 Г

Цв*солей

Отд. моноаммонии _фосфата__

Трнкатрий фскф»«

Цех фторсолей

и» отд ЭФкг эвкз. ЭФ«

Ш11

Отд. фторосаждения

Рис. 4. Схема основных материальных потоков ОАО "Воскресенские минеральные удобрения"

Предложенный в работе способ интеграции АСУ разных уровней для предприятий производства минеральных удобрений обеспечивает

• создание единого информационного пространства (АСУТП, АСОУП, ЛИС, управление ж/д и авто/транспортом, системы взвешивания грузов и т д),

• мониторинг основного производства в условиях информационной прозрачности,

• управление ресурсами с помощью системы оперативного анализа и учета затрат на производство ТЭР и МП,

• прозрачность и согласованность затрат на основное производство в автоматическом режиме,

• мониторинг потерь ТЭР и МП и прогноз себестоимости продукции

Предложенная в диссертационной работе концепция синтеза КИУС основана на реализации идеи интегрированного взаимодействия всех АСУ предприятия на базе анализа и учета материальных и энергетических потоков, их балансирования и согласования в автоматическом режиме

Концепция создания КИУС для оперативного управления производством, реализована посредством высокого уровня автоматизации технологических процессов (АСУТП), предложенного комплекса программных средств (БСАОА , Р1 5уз1ет, Б^таРте, Ьтз, АСУ «Весы»), развитой вычислительной сети ЛВС, топологии технических средств (ПК, серверов, сетевого оборудования и тд), а также алгоритмов расчета ТЭР и МП на основании системы учета

В главе 3 приведен анализ существующей структуры материальных (Рис 4), сырьевых и теплоэнергетических потоков и действующей системы ручного учета «Учет Р» на предприятии ВМУ

Распределение и балансирование ТЭР и МП осуществляется в конце месяца по результатам объема выпущенной продукции, что также не является корректным в силу недостаточной достоверности учета ее состояния на складах

Учет осуществляется на основании принятых удельных норм на единицу выпущенной продукции и принятых плановых потерь ТЭР и МП Данная система утяжеляет экономический учет и управление и, кроме того, отвергает показания метрологически аттестованных приборов и узлов учета

Анализ существующей системы учета ТЭР и МП на предприятии производства минеральных удобрений приводит к выводу о необходимости разработки и внедрения новой универсальной системы согласования данных учета по приборам КИПиА и сведения массовых, энергетических, тепловых, компонентных, объемных и качественных балансов на любых технологических переделах с определением их количественных характеристик Такая система может быть разработана, в частности, на базе специализированного программного продукта 3|дшаР|пе, а также программных пакетов Р1 5уз1ет и Ьшб

Рис, 5 Схема существующего бизнес - процесса контроля и учета расходных коэффициентов сырья, материалов и энергоресурсое

Основные способы увеличения прибыли - это оптимизация и модернизация производства, увеличение достоверности и скорости распределения информации, снижение потерь продукта и энергоносителей по ходу технологического процесса. Одним из наиболее эффективных из перечиспенных способов, не требующим больших капитапьных затрат, является определение причин и источников потерь и их устранение. Своевременное обнаружение потерь в масштабах предприятия осложнено недостоверностью показаний датчиков КИП, а 8 нередких случаях и их [ отсутствием (Рис,5). Традиционно, потери продукта распределялись между установками, исходя из опыта эксплуатации или предположений о работе установок 1

без дополнительного анализа причин их возникноеения и разработки адекватных мер устранения этих причин.

Для решения перечиспенных задач в диссертационной работе: 1.Определен критерий (рис. 6) обеспечения минимальных сырьевых и энергетических затрат на производство продукции, поставлены лекальные цели, функциональные задачи и информационные обеспечения для его оптимизации.

КРИТЕРИЙ: Обеспечение минимальных сырьевых и энергетических затрат на производство продукции

& ь

Функциональные

Контроль и учет знамений расходных коэффициентов сырья» материалов и

Контроль *f основных параметров технологических режимов

энергоресурсов

/ I

• 1 ■.-.

К?

задачи

I

S3

Контроль и учет

значений себестоимости единицы продукции

Анализ тенденций изменении значений себестоимости единицы продукции

. I +

Информационное обеспечение

Мониторинг Ре/^стрлции

значений значении

расходных расходных

коэффициенте коэффициенте

в сырья, ■ сырья.

материалов и материалов и

энергоресурсов энергорвсурсов

Am.u'h i фдкгорйй,

телюлогнчвекой

CiCctYiMMitTH

чинкцы

Рис. 6 Функциональные задачи по обеспечению минимальных сырьевых и энергетических затрат на производство продукции ОАО «ВМУ»

2, Выбраны и определены программные продукты дпя достижения поставленной цели - PI System и SigmaFine.

- SigmaFine представляет собой универсальную систему согласования данных учета и сведения массовых, энергетических, тепловых, компонентных, объемных и качественных балансах на любых технологических переделах. В основе ядра SigmaFine лежит специальный встроенный алгоритм, в основе которого -метод наименьших квадратов. Все необходимые данные о состоянии конкретного ТП SigmaFine получает непосредственно с сервера PI System.

Бухгалтерский и финансовый учеты считаются неопровержимо необходимым средством для управления предприятием, однако они не влияют на оперативное

управление себестоимостью продукции, а лишь констатируют свершившийся факт, как правило, (для крупных предприятий) с опозданием на 1-1,5 мес

В работе предлагается дополнить эти два типа учета третьим - оперативным (производственным) учетом затрат по себестоимости продукции в местах их возникновения с проведением их анализа, распределения, потребления, потерь, в т ч сырьевых, ТЭР и МП, их балансированием с последующим оперативным управлением себестоимостью с помощью приложения БщтаРте

Проблема расчета материального баланса химического завода заключается в том, что значения количества продуктов (вычисленные по значениям приборов расходов и уровней в резервуарах) не могут быть измерены с точностью, достаточной для расчета фактических потерь

Ошибки калибровки, дефекты датчиков, неправильно регистрируемые измерения, ошибки измерений в резервуарах (ошибки в определении средней температуры хранимого продукта, изменение размеров резервуара под влиянием температуры, ошибки градуировки, человеческий фактор и др) и неучтенные потери при технологическом процессе - все это делает собранные о процессах данные несогласованными и, следовательно, неудобными для многих видов анализа, включая расчет производительности производства, оптимизацию технологических процессов и определение приоритета для текущего ремонта измерительного оборудования

Методика обнаружения и определения потерь

Финансовые потери легко подсчитать, но трудно обнаружить В работе показано, что анализируя производительность ежемесячно, исходя из ежедневных данных, можно увеличить точность измерений, в результате чего удается с высокой достоверностью найти вероятные места, где происходят потери

Первоначально, для определения потерь, производится расчет материального баланса на основе несогласованных данных, поступающих с измерительных устройств, определяются потери В процессе согласования все неучтенные потери анализируются и распределяются между технологическими установками и переходят таким образом в учтенные В результате рассчитанный на основе согласованных данных, материальный баланс не будет содержать неучтенных потерь, а общие учтенные потери приблизятся к действительно существующим

8|дтаРше позволяет определять и устранять систематическую, случайную и грубую ошибки измерений и корректировать влияние условий окружающей среды на измерение технологических параметров, благодаря чему можно существенно улучшить достоверность при расчете не измеряемых потоков, обнаружить ошибки измерений и неисправные измерительные устройства

Методики составления общезаводского массового баланса

Цель решения задач согласования данных составления общезаводского массового баланса состоит в определении объема потерь, локализации участков их возникновения, выявлении и (по возможности) устранении их причин Задачи составления общезаводского массового баланса и учета ТЭР и МП тесно связаны между собой и, по сути, никогда не рассматриваются по отдельности От того,

насколько полным и максимально подробным является учет ТЭР и МП, зависит решение общезаводского массового баланса

Расчет общезаводского массового баланса используется для согласования остатков на начало и конец периода поступлений сырья, отгрузки продукции и использования продукции для собственных нужд

В основе принципа составления общезаводского массового баланса лежит, казалось бы, достаточно очевидное утверждение, что общий приход по массе продукта должен быть равен общему расходу Разность ме>еду приходом и расходом образует "потери"

= (1)

В действительности же эта формула служит лишь иллюстрацией сути расчета массового баланса, а именно - возможности определения в количественной форме потерь сырья

Процесс составления общезаводского массового баланса практически идентичен для любых предприятий и обычно проводится в 5 этапов

1 Сбор исходных данных - доступ ко всем данным о технологических измерениях, остатках, движениях, поступлениях и отгрузке продукции

2 Первичный поиск ошибок - определение и корректировка (ручная или автоматизированная) возможных несоответствий данных или грубых ошибок сбора информации перед процедурой составления баланса

3 Предварительный расчет массового баланса - составление балансовых уравнений на основании технологических схем

4 Проверка и анализ массового баланса - детальная проверка достоверности полученных данных на 1-м этапе технологических измерений

5 Окончательный расчет и согласование массового баланса - на основании полученных на этапах 3 и 4 результатов составляется ежесуточный массовый баланс и определяются количественные значения технологических потерь

Процедура согласования данных, которая учитывает

• закон сохранения материальных (и энергетических) потоков на графе технологической схемы (закон Кирхгофа),

• класс точности измерительных приборов (каналов) (чем выше класс точности приборов, тем меньше корректируются их показания)

В главе 4 описана практическая реализация концепции интеграции для систем автоматизированного учета (САУ) ТЭР и МП и дана оценка по улучшению технико-экономических показателей предприятия, связанных с внедрением САУ ТЭР и МП в составе КИУС

Реализация этой концепции сводится к решению задач учета, потребления и согласования по каждому виду ТЭР и МП в РВ, что возможно только при подключении всех источников информации (АСУТП, АРМов лаборатории, учета ОГМетр) к информационным сетям предприятия АСОУП в КИУС и выбранной базе данных реального времени PI System и задач балансирования и их согласования

Наличие согласованных достоверных данных учета ТЭР и МП в базе данных (БД) РВ обеспечивает дальнейшее их использование в системах управления ТП, а

также расчета вектора цеховой себестоимости при прочих условно постоянных расходах (зарплата, затраты на хозяйственные нужды, текущие и капитальные ремонты и т д), алгоритмах прогноза качества и взаиморасчетов при коммерческих операциях

Учитывая сходство замкнутых (закрытых) схем материальных потоков ТЭР и МП и регламентированное распределение, можно построить модель учета ТЭР и МП

Задача учета сводится к сбору, обработке и расчету данных расхода в узлах учета (УУ), определении невязки объема (массы) между выработкой (приобретением) подразделений, поставляющих ТЭР и МП, и потреблением (распределением, расходованием) в потребляющих цехах

Разработаны алгоритмы расчета массовых расходов ТЭР, где - расчет суточного расхода для газов (природного газа, технологического воздуха, воздуха КИП)

АРР абс

(2)

рсТК

- расчет суточного массового расхода пара

дм=Ке, -Е '¿7- *КШ *Кп * Ко''с/20 ' л/рдр (3)

расчет теплоэнергии пара выполняется с учетом теплотворной способности пара (энтальпия) /

р м * /■ теплоэнергия пара в Гкал за сутки (4)

- расчет суточного расхода жидких сред (вода- речная, оборотная, артезианская, сетевая, конденсат)

- массовый расход жидкости т/час

<7м=Ке1 Е С. -Кяе-Кш К, Ко'¿я? { 4Р * АР (5)

- расчет теплоэнергии тонны сетевой воды

Чм

ЧооГ=а°(Гкал)-

(в)

где Л /-разность температур прямой и оборотной воды

- расчет теплоэнергии конденсата

1000 = где темпеРатУРа конденсата (7)

Согласование материального баланса - это нахождение минимальных поправок к измерениям, таких чтобы согласованные данные удовлетворяли ограничениям, обусловленным законом сохранения массы Учет погрешностей

измерения необходим для интерпретации результатов измерений При этом используются модели технологического процесса для различных видов анализа

Составляется целевая функция, подлежащая минимизации, и ограничения, обусловленные законом сохранения масс Целевая функция - сумма квадратов разностей между измеренным и согласованным значением

Баланс должен быть рассчитан на основе модели МП за выбранный период Целевая функция для расходомеров N

V 2

((«измерено» - «согласовано»)/допуск) —> тш, где (8)

М

/- /е измеритег 20 'стройство, /V- количество приооров,

«измерено» - совокупное количество материала, прошедшее через расходомер за расчетный период,

«согласовано» - согласованное совокупное количество материала, прошедшее через расходомер за расчетный период,

допуск - абсолютная погрешность измерения совокупного количества материала (может рассчитываться по относительной погрешности или вводиться напрямую)

Предложены ограничения для потоков и УУ N N

V V

МассЫвх - / МассЫвых = 0 (9)

Ограничения для емкостей N N

V

/ МассЫвх + Остаткиначало - / МассЫвых - Остаткиконец = 0 (10)

/=1 1-1

Массы и остатки задаются для массовых (и компонентных) балансов в массовых единицах (тонны, кг), для объемных балансов - в объемных единицах При этом часть масс и остатков может быть не измеряемыми, в таком случае Б|дтаР|пе рассчитывает их в процессе согласования - в том случае, если они могут быть вычислены косвенно, с учетом данных соседних измерений

Для определения величин согласованных значений используется метод наименьших квадратов (МНК)

В диссертации разработан регламент работы (действий) подразделений предприятия по сведению баланса ТЭР и МП Приведены принятые основные положения, на которых стоится САУ ТЭР и МП

Общая схема информационных потоков, обеспечивающих выполнение задач САУ ТЭР и МП, представлена на рис 8

Изменение моделей синхронизации баз резервное копирование управление правами доступа

АРМ Главного специалиста - . (куратора)

Открытие периода загрузка исходных данных сведение опубликование

АРМ Администратора j

SW/P Клиент и Конфигуратор

PI ProcessBook AF Explorer

Enterprise Managet

1 MS Ехсе r- Pl ProcessBook |

И PI AF Configurator r

I скрипт конфигуратор •MLS g

lU-1

Контроль схемы мат потоков

Контроль исх данн

АРМ Специалиста i

и

Контроль данных и редактирование

АРМ Специалиста

SW/P Клиент

SW/P Клиент

Продукт физмассг массовые доли

Модуль формирования отчетов Синхронизация работы клиентов

I-SM/PI Сервер Матбаланс

X

PI Analysis Framework Server

PI SigmaFine Server

СУБД MS SQL2000 Q БД mh4

Q БД PIAF_Database

Исходные данные

PA

Рис 8 Общая схема информационных потоков САУ ТЭР и МП

Системы управления качеством выпускаемой продукции на основе виртуальных анализаторов (ВА)

Основной целью является формирование в режиме РВ управляющих воздействий, обеспечивающих максимальное соответствие показателей качества выпускаемой продукции нормативным значениям при уменьшении расхода сырья и теплоэнергоресурсов

Для получения максимально точных моделей необходимо осуществить более развернутое использование информационных возможностей КИУС В частности, для прогноза содержания Р2О5 в готовом продукте для линии производства аммофоса необходимы определенные объемы данных не только о данном технологическом процессе, но и об объемах и качестве поступающих сырья и полуфабрикатов Динамическая математическая модель для прогноза содержания Р2О5 в готовом продукте включает показания существующих датчиков, согласованные с соответствующими временными сдвигами с учетом динамического запаздывания -временного сдвига технологических показателей относительно выходного показателя качества

В результате отбора переменных была построена прогнозирующая модель

у-+ 60) = F(у(0, у(1 - 60), X, (0, (0, и(0), (11)

Для повышения точности прогноза и расчета прогнозирующей модели использовались данные, рассчитанные в 3|дтаР|пе, с поправками по Ри /

По результатам моделирования прогнозирующая модель обеспечила среднеквадратическую ошибку прогноза содержания Р2О5 в готовом продукте на час вперед, равную 0,165 С другой стороны, отклонение содержания Р2О5 в готовом продукте в результате действий оператора за тот же период составило 0,278 Таким образом, полученная точность прогноза 0,165 позволяет за счет управления уменьшить разброс содержания Р2О5 с 0,278 до 0,165

Для количественной оценки возможности управления линией по производству аммофоса с помощью ВА были использованы модели, построенные по данным за тот же период Эти модели позволяют определять значение управления и(1) (расхода Нг304 и Н3РО4), которое обеспечит через час желаемое значение выхода Уж(1+60)

Результатом внедрения виртуального анализатора явилось уменьшение разности между максимальным и минимальным значением выходного параметра в 1 6 раза Дисперсия выходного параметра осталась на том же уровне

Основные показатели экономической эффективности внедрения САУ

ТЭР и МП

Наименование показателя эффективности Значение показателя эффективности (в год)

Снижение потерь сырья (апатита) за счет улучшения коэффициента разложения апатитового концентрата серной кислотой и отмывки гипса 2 843 т

Уменьшение расходов на транспортировку фосфогипса 4548 т

Снижение потерь пара при транспортировке и распределении 38 291 Гкал

Увеличение возврата конденсата пара с вакуум выпарных аппаратов 12 067 т

Снижение потерь воздуха КИПиА 1 786 914 ма

Снижение потерь технологического воздуха 28 млн mj

Снижение потерь теплофикационной воды 950 Гкал

Снижение потерь артезианской воды 83 474 mj

Снижение потерь водооборотной воды 16 418 MJ

Увеличение реализации готовой продукции в пересчете на 100 % Р205 2 800 т

В таблице приведена оценка улучшения технико-экономических показателей предприятия, связанных с внедрением САУ ТЭР и МП в составе КИУС

При моделировании материальных потоков «Весь завод» использовались модели различных технологических объектов, созданные на основе заранее подготовленной библиотеки шаблонов (цех /объединение/установка, емкости, система, склады, поток, датчик/расходомер, точки приемки, точки отгрузки, узел, операция (транзакция), анализатор (ЛИС), норматив) технологических объектов.

Для параметров, не охваченных автоматическими измерениями из-за отсутствия автоматических датчиков, предложен АРМ экономиста и АРМы операторов, обеспечивающие ввод недостающих данных (например остатки на колесах, объем и анализы по выхлопам и стокам, наличие сырья и продукции на складах и т д)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

• По данным анализа существующих систем управления предприятиями отрасли предложена концепция разработки комплексных информационно-управляющих систем (КИУС), а также комплекс программно-технических средств, обеспечивающих сбалансированное решение задач управления производством на базе единого информационного пространства

• По результатам обследования предприятия определены схема основных сырьевых и материальных потоков и критерии минимума сырьевых и энергетических затрат на производство

• На основании требований правил эксплуатации и нормативной документации предложены алгоритмы расчета МП в УУ с предоставлением данных в КИУС

• По результатам обследования существующих теплоэнергетических сетей и структуры материальных потоков предложены схемы учета, балансирования и согласования всех ТЭР и МП

• Разработана и апробирована на ОАО «ВМУ» модель материального баланса предприятия на основе базы данных реального времени PI System и реляционных баз данных ERP системы АСУ «Старт» и Lims

• Предложен регламент расчета и согласования ТЭР и МП (как по всему заводу, так и по отдельным подразделениям) и сведения покомпонентного баланса

• Апробированы результаты исследования данных реального времени и получены положительные результаты при прогнозе качества готовой продукции и применении виртуальных анализаторов в управлении качественными показателями при производстве аммофоса

• Выявлены технико-экономические показатели, подтверждающие эффект от внедрения САУ ТЭР и МП

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Гартман Т Н , Туманов Д Н и др Воскресенские минеральные удобрения Опыт внедрения АСУ // The Chemtca/Journal, № 3, 2003, с 56-60

2 Гартман ТН, Туманов ДН, Шинарев АЛ и др Некоторый подход к разработке и внедрению реконструируемых АСУ на предприятиях химических отраслей //Промышленные контроллеры и А СУ № 5 2003 с 1-3

3 Туманов Д Н , Гартман Т Н , Шинарев А Л Комплексная информационно-управляющая система предприятия на ОАО "Воскресенские минеральные удобрения" II Промышленные контроллеры и АСУ № 7 2003 с 13-15

4 Туманов Д Н , Гартман Т Н , Тюриков А А и др Универсальная система учета материальных и энергетических потоков на базе SigmaFine IIПромышленные контроллеры и АСУ № 11 2003 с 30-31

5 Чадеев В М , Туманов Н А , Туманов Д Н , Бахтадзе Н Н Системы управления качеством производства минеральных удобрений на основе виртуальных анализаторов // Автоматизация в промышленности 2003 №8 с 33-36

6 Туманов Д Н , Сунчелей И Р , Гартман Т Н Оптимизация управления получением фосфорных кислот на примере цеха ЭФК ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» // Промышленные АСУ и контроллеры № 3 2005

7 Туманов Д Н , Метан Г Н и др , Автоматизированные системы технического учета энергоресурсов на ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» // Автоматизация в промышленности И № 12, 2006

Личный вклад автора в совместные публикации

[1-4] -предложены структура и комплекс программно-технических средств, обеспечивающие сбалансированное решение задач управления производством на базе единого информационного пространства

[5-6] - исследованы модели прогнозирования качества выпускаемой продукции

Типография ордена "Знак Почета" издательства МГУ 119992, Москва, Ленинские горы Заказ № 234 Тираж 100 экз