автореферат диссертации по , 05.00.00, диссертация на тему:Развитие автоматизированной системы учета массы электролизного продукта

На правах рукописи

УДК 534 83 08

КРЕМЕР Александр Викторович

РАЗВИТИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УЧЕТА МАССЫ ЭЛЕКТРОЛИЗНОГО ПРОДУКТА (на примере филиала ОАО «БАЗ-СУАЛ», г. Краснотурьинск)

Специальность- 05 25 07 - исследования в области проектов и программ

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - действительный член РАЕН, проф д т н

Гольдштейн Сергей Людвигович

2 2 СЕН 2003

003446510

На правах рукописи

УДК 534 83 08

КРЕМЕР Александр Викторович

РАЗВИТИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УЧЕТА МАССЫ ЭЛЕКТРОЛИЗНОГО ПРОДУКТА (на примере филиала ОАО «БАЗ-СУАЛ», г. Краснотурьинск)

Специальность 05.25 07 - исследования в области проектов и программ

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - действительный член РАЕН, проф. д т н

Гольдштейн Сергей Людвигович

Работа выполнена в НП «Уральский межакадемический союз», в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет-УПИ», г Екатеринбург, и в филиале ОАО «БАЗ-СУАЛ», г Краснотурьинск

Официальные оппоненты: - член-корреспондент РАЕН,

доктор технических наук, профессор Смирнов Геннадий Борисович,

- доктор химических наук, профессор Катышев Сергей Филиппович

Защита состоится 25 сентября 2008 г в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 098 07 PCO ММС 096 по адресу 620077, г Екатеринбург, ул Володарского, 4, НИИЦветмет/УМС

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке УГГУ-УПИ и в НП «УМС».

Диссертация в виде научного доклада разослана 25 августа 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф-м н, проф

В Г. Рогович

Принятые сокращения

АС - автоматизированная система,

АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим процессом, БД-база данных,

ИАС - интегрированная автоматизированная система, ИИСВ - информационно-измерительная система взвешивания, ИРПсМ - измерительно-регистрирующая подсистема мониторинга, МЭП - масса электролизного продукта,

НИОКР - научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы,

ППсМ - прогнозирующая подсистема мониторинга,

ПсВМ - подсистема визуализации мониторинга,

ПсДМ - подсистема документооборота мониторинга,

ПТК - программно-технический комплекс,

СПсМ - следящая подсистема мониторинга,

ТЕОН - тезаурусная онтология,

УМЭП - учет массы электролизного продукта.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования

Развитие управления технологическими процессами при электролизном получении алюминия по-прежнему актуально ввиду огромной потребности в этом металле и все еще недостаточной автоматизации объекта

Известны авторитетные зарубежные разработки фирм SIEMENS (Германия), Barry Welch (Австралия), Soderlend (Индия) и др. Российский опыт обобщен в разработках компаний. «ТоксСофт» (АСУ ТП ТРОЛЛЬ, премия Правительства РФ, 2004 г ), SINETIC, ВАМИ, ГИПРОЦВЕТМЕТ и др Уральский опыт - это УАЗ, г Каменск-Уральский, БАЗ, г Краснотурьинск, кафедра легких металлов УГТУ-УПИ, РУСАЛ, НИИ «Уралалюминий» и др.

Среди российских ученых, внесших большой научный вклад в дело повышения эффективности автоматизированных систем управления, в т ч технологическими процессами, следует отметить- А.И Берга, В.МГлушкова, С В Емельянова, В.Б Колмановского, А М.Ляпунова, Г И Марчука, Н Н Моисеева, А.А.Самарского, В М.Тихомирова и многих др, а также зарубежных М Атанса, М Майкольма, К Моулера, Д Ортегу, К Райнша, У Пула, Дж Форсайта, Р Ховарда, Т.Юкобори и др.

Уральская наука в этой области связана с именами Н Н Красовского, А Ф Сидорова, В.Г Лисиенко, Б.Б Зобнина, С Л Гольдштейна, Н.А Спирина, В И Кузякина и др Задачам автоматизации электролиза алюминия на ОАО «БАЗ-СУАЛ» посвящены диссертационные исследования Гребнева С.А, Гомера К Г, Меньшикова В А

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с концепцией промышленной политики Свердловской области и целевых научно-исследовательских программ министерства металлургии при правительстве Свердловской области, в том числе в рамках

- Программы реализации государственной промышленной политики в металлургической отрасли Свердловской области, включая горнорудные предприятия, предприятия черной и цветной металлургии, огнеупорного

производства, добычи и переработки драгоценных и редкоземельных металлов, а так же определения стратегических приоритетов развития отрасли как основы реформирования и развития регионального промышленного комплекса,

- Программы содействия в техническом перевооружении и реконструкции металлургических предприятий, в освоении и выпуске конкурентоспособной продукции;

Объект исследования - автоматизированная система учета массы электролизного продукта на примере филиала ОАО «БАЗ-СУАЛ»

Предмет исследования - развитие автоматизированной системы учета массы электролизного продукта

Основная гипотеза диссертационного исследования. Развитие автоматизированной системы учета массы электролизного продукта возможно за счет прототипирования мирового опыта, структурирования предпосылок, моделирования структур и процессов на основе методологии и инструментария системной интеграции Цели и задачи:

Глобальная цель - устойчивое развитие производства и сбыта электролизного продукта в условиях вхождения в мировую экономику с передачей знаний в будущее.

Локальная цель 1 - получение нового знания (в виде пакета моделей) об автоматизации учета массы электролизного продукта.

Локальная цель 2 - использование новых знаний в интересах развития автоматизированной системы учета массы электролизного продукта в условиях работающего предприятия Задачи:

- литературно-аналитический обзор проблематики автоматизации учета массы электролизного продукта с выходом на пакет прототипов,

- анализ предпосылок для развития автоматизированной системы учета массы электролизного продукта;

- получение пакета моделей в интересах развития интегрированной автоматизированной системы учета массы электролизного продукта в составе структурных, алгоритмических, кортежных, критериальных и др нотаций,

- развитие интегрированной автоматизированной системы учета массы электролизного продукта до АСУ «Масса» и ее модификаций;

- апробация предлагаемых технических решений и оценка их эффективности в условиях действующего предприятия.

Научная новизна результатов исследования

- предложен 3-х-ранговый пакет прототипов для автоматизированной системы учета массы электролизного продукта, включающий один прототип нулевого ранга, три прототипа первого ранга и пять прототипов второго ранга,

- в рамках системного подхода проструктурированы предпосылки для развития автоматизированной системы учета массы электролизного продукта, включающие структуру заинтересованных субъектов, пакет формул для расчетов, алгоритмы деятельности, локальные автоматизированные системы предприятия,

- создан пакет структурных моделей 9 прототипов, положенный в основу развития ИАС УМЭП;

- разработан пакет моделей, развивающий прототипные нотации, отличающийся методологической полнотой и оригинальностью решений на уровне структур, алгоритмов, организационно-технологических диаграмм, информационных описаний

Практическая ценность работы

- предлагаемые решения использованы в условиях действующего предприятия - филиала ОАО «БАЗ-СУАЛ», г Краснотурьинск, в период 2003-2008 гг,

- получен акт внедрения отдельных новых технических и организационных решений, связанных с взвешиванием и его автоматизацией

Апробация результатов

Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались на НТК «Алюминий Урала», г. Краснотурьинск, 2003-2007 гг, на научных семинарах кафедры вычислительной техники УГТУ-УПИ, 2007-2008 гт, на НТС ОАО «БАЗ-СУАЛ», 2007-2008 гг

Публикации результатов По теме диссертации имеется 7 публикаций

Структура диссертационного исследования приведена на рис 1

Спецификация к рис 1

(подпроекты 1 1 1 - проблема учета массы электролизного продукта, 1 1 2 - проблема автоматизированной системы учета массы электролизного продукта, 1 1 3 - проблема интегрированной автоматизированной системы учета массы электролизного продукта, 1 2 1 - аналоги автоматизированных систем учета массы электролизного продукта, 1 2 2 - аналоги развития сложных систем, 1 3 1 - выход на прототипы, 1 3 2 - критика прототипов, 1 4 1 - гипотезы для прототипа 0-го ранга, 1 4 2 - гипотезы для прототипов 1-го ранга, 1 4 3 - гипотезы для прототипов 2-го ранга, структурные модели прототипов 2 1 1 - 0-ой ранг, 2 1 2 - 1-ый ранг, 2 1 3 - 2-ой ранг, предлагаемые технические решения 2 2 1 — структуры, 2 2 2 - общие алгоритмы, 2 2 3 - критерии, 3 1 1 - формулы для расчета массы алюминия, 3 1 2 - основные факторы, 3 1 3 - частные алгоритмы, 3 2 1 - управление движением анода, 3 2 2 - управление током, 3 2 3 - управление загрузкой, 3 2 4 - управление выпивкой металла, 3 3 1 - мониторинг оргструктур, 3 3 2 - мониторинг исполнителей,

3 3 3 - мониторинг ресурсов, 3 3 4 - мониторинг продукта, 4 1 1 - организационная диаграмма, 4 1 2 - технологическая диаграмма, 4 2 1 - основа для выделения инфопотоков,

4 2 2 - диаграмма главных инфопотоков, инфологические модели 4 3 1 - выливки и литья, 4 3 2 - ОТК ЦЗЛ, 4 3 3 - технологических параметров, 4 3 4 - ввода с пультов, 4 3 5 -выливки и литья 6-ой серии, 4 3 б - технологических параметров 6-ой серии, информационные сети 4 4 1 - АСУ «МАССА», 4 4 2 - локальные схемы автоматизации, 5 2 1 - экономико-математическая модель, 5 2 2 - функции планово-экономического отдела, 5 2 3 -эффект от внедрения)

Заказ

Состояние области знания

Программа I. Состояние проблемы автоматизации учета массы продукта в электролизных технологиях

Прост111 Литературно-аналитический обзор

Подпроекты

111 1 1.2 113

Проект 1 2 Аналоги

Подпроекты

121 122

Проект 1.3 Прототипы

Подпроекты

13 1 132

Проект 1 4 Гипотезы о предполагаемых решениях

Подпроекты

141 142 143

Программа 2. Модели АС УМЭП

Проект 2 1 Структурные модели прототипов Проект 2 2 Структурные модели развитых прототипов

Подпроекты Подпроекты

211 212 213 221 222 223

т

Программа 3. Предпосылки предприятия для развития НАС УМЭП

Проект 3 1 Электротехнология

Подпроекты

3 1 1 3 12 3 1 3

Проект 3 2 АСУ ТП

Подпроекты

32 1 322 323 324

Проект 33 АС мониторинга

Подпроекты

33 1 332 333 334

Программа 4. Развитие ИАС УМЭП

Проект 4 1 Организационно-технологические диаграммы

Подпроекты

4 1 1 4 12

Проект 4 2 Информационные потоки

Подпроекты

421 422

Проект 4.3 Мифологические модели БД

Подпроекты

43 1 432 433

434 435 436

Проект 4 4 Информационная сеть

Подпроекты

44 1 442

Программа 5. Оценка эффективности предложенных решений

Проект 5.1 Эталность

реинжиниринга

Проект 5.2 Экономическая оценка

Подпроекты

52 1 522 523 1

Проект 5.3 Элементы внедрения

Выполненный ^ заказ

I Новые знания, ио&ые решения

Рис 1 Структура диссертационного исследования

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ПРОГРАММА 1 - СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ УЧЕТА МАССЫ ПРОДУКТА В ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Программа включает 4 проекта с 10-ю подпроектами Проект 1.1 - литературно-аналитический обзор

По проблематике диссертационного исследования выделено три направления информационного поиска, просмотрено 160 литературных источников, в тч. 89 зарубежных, а также отобрано 130 адресов Internet Организованы и проведены диалоги с 4 экспертами Оценены полнота, релевантность и пертинентность этой информации

Проект 1.2 - аналоги по основным направлениям литературно-аналитического обзора.

Аналоги АС УМЭП искали по системам, подсистемам и блокам Аналоги развития сложных систем рассматривали по Н Н Моисееву*' Проект 13 - выход на пакет прототипов.

По результатам проведенной нами экспертизы аналогов предложен 3-х-ранговый пакет прототипов и дана их критика (табл 1)

Таблица 1

Пакет прототипов по ИАС УМЭП_

Ранг прототипов Наименование прототипов Ссылки к рис 210 Недостатки прототипов по анализу структуры

общие частные

1 2 3 4 5

0 Интегрированная автоматизированная система учета массы электролизного продукта (ИАС УМЭП) т Структурно-функциональная неполнота Отсутствие системного интегратора

1 Автоматизированная система мониторинга (АС «Мониторинг») [2,3] Отсутствие интеграции подсистем мониторинга

Системный интегратор (СиИ) Отсутствие адаптатора системной интеграции в средствах мониторинга массы электролизного продукта

Мониторинговый интерфейс (МИ) [5.6J Отсутствие интерфейсного интегратора

Алгоритмы развития, - М Наука, 1987,303 с

Продолжение табл 1

1 2 3 4 5

2 Следящая подсистема мониторинга (СПсМ) [5,7] Структурно-функциональная неполнота Отсутствие интегратора слежения за состоянием техпроцессов

Измерительно-регистрирующая подсистема мониторинга (ИРПсМ) [5,8,9] Отсутствие измерительно-регистрирующего интегратора

Подсистема документооборота мониторинга (ПсДМ) [10,11] Отсутствие интегратора документооборота по бригадам, корпусам,сериям,цехам

Прогнозирующая подсистема мониторинга (ППсМ) [12] Отсутствие интегратора прогнозов и рисков

Подсистема визуализации мониторинга (ПсВМ) [13] Отсутствие графического интегратора

На этой основе высказаны гипотезы о преодолении недостатков прототипов (проект 1.4) за счет введения новых структурных элементов и развития существующих

ПРОГРАММА 2 - МОДЕЛИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УЧЕТА МАССЫ ЭЛЕКТРОЛИЗНОГО ПРОДУКТА (АС УМЭП)

Программа включает 2 проекта с 6-ю подпроектами.

Проект 2.1 - структурные модели прототипов.

Структурные модели прототипов, построенные нами по первоописани-ям, приведены на рис 2-10

Подпроект 2.1.1 - структура прототипа 0-го ранга

Прототип 0-го ранга (см табл 1), представленный на рис 2, включает в себя подсистемы 1-3 и интерфейс 4

ИАС УМЭП

Рис.2 Структура интегрированной автоматизированной системы учета массы электролизного проекта (ИАС УМЭП) по прототипу [1] и предлагаемому решению (фон, уголки, жирная стрелка - здесь и далее)

(1 - объект мониторинга: электролизные серия, корпус, цех; 2 - система управления; 3 - система мониторинга; 4 - интерфейс; 5 - системный интегратор; 6 - дополнительный интерфейс)

Подпроект 2.1.2 - структура прототипов 1-го ранга.

Эти прототипы представлены нами в структурной нотации на рис. 3-5.

3 АС мониторинга

Первый прототип 1 -го ранга

Рис.3 Структура АС мониторинга по компилятивному прототипу [2, 3] и предлагаемому решению

(подсистемы: 3.1 - следящая, 3.2 - измерительно-регистрирующая, 3.3 - памяти, 3.4 - информирующая, 3.5 - документооборота, 3.6 - тревоги, 3.7 - обработки и анализа, 3.8 -

' Т.Хазарадзе, В.Гейнцс. Система автоматизации процесса производства алюминия. www.cta.ru/cms/f732672S.pdf

2 Методы н средства построения адаптивной системы мониторинга и диагностирования сложных промышленных объектов

http://bantobot.com/work/work-6S983 .Ьгт1?51п»1аг=1

1 К.Г.Гомер. Развитие метода интеграции \СУ ТП с автоматизированными системами технической диагностики и мониторинга. Диссертация в виде научного доклада... канд. техн. наук, - Екатеринбург: УГГУ-УПИ, 2006, - 22 с.

прогнозирующая, 3.9 - визуализации, 3.10 - интерфейса, 3.11 - интеграции мониторинга, 3.12 - дополнительного интерфейса мониторинга)

Рис.4 Структура системного интегратора по прототипу [4] и предлагаемому решению.

(подсистемы: 5.1 - субъектов деятельности, 5.2 - ресурсооборота, 5.3 - информационно-коммуникационной среды в составе инновационной НИОКР-поддержки, информационно-телекоммуникационной поддержки, человеко-машинной нервной системы предприятия, 5.4 - интерфейса, 5.5 - адаптирующего интегратора, 5.6 - дополнительного интерфейса)

Рис.5 Структура мониторингового интерфейса (МИ) по прототипу [5, 6] и предлагаемому решению.

(подсистемы: 6.1 - входа, 6.2 - выхода, 6.3 - канала, 6.4 - усилителя потока, 6.5 - связи, 6.6 - интерфейсного интегратора, 6.7 - дополнительной связи)

4 С.Л.Гольдштейн. Системная интеграция бизнеса, интеллекта, компьютера. - Екатеринбург: ИД Пироговъ, 2006, 392 с.

5 Словарь по кибернетике / под ред. В.С.Михалевнча. - Киев: Укр. энциклопедия, 1989, - 751 с.

6 Охранно-мониторинговый интерфейс

www.sibatom.ru/structure/laboratory_2_development_interfaces.html

Подпроект 2.1.3 - структура прототипов 2-го ранга. Эти прототипы представлены на рис. 6-10.

3.1 Следящая подсистема г-------------------------

Первый прототип 2-го ранга

оаирос

Инфопоток

3.1.1

71 у Р

|З.1!-7-

Шт

3.1.2 —ж—

3.1.3

3.1.4

Ответ

Инфопоток'

Рис.6 Структура следящей подсистемы мониторинга (СПсМ) по компилятивному прототипу [5, 7] и предлагаемому решению (блоки: 3.1.1 - генератора задающего воздействия, 3.1.2 - фиксатора отклонения, 3.1.3 -фиксатора возмущений, 3.1.4 - восстановителя положения, 3.1.5 - интерфейса, 3.1-6 -интегратора слежения, 3.1.7 - дополнительного интерфейса слежения)

3.2 Измерительно-регистрирующая подсистема

Запрос

Второй прототип 2-го ранга

3.2.1

3.2.2

3.2.4

3.2.3

=г

Ответ

Инфопотс

к I..

3.2.6

Инфопоток'

Рис.7 Структура измерительно-регистрирующей подсистемы мониторинга (ИРПсМ) по компилятивному прототипу [5, 8, 9] и предлагаемому решению (блоки: 3.2.1 - датчиков, 3.2.2 - преобразователей, 3.2.3 - регистраторов, 3.2.4 - интерфейса, 3.2.5 - измерительно-регистрирующего интегратора, 3.2.6 - дополнительного интерфейса измерения / регистрации)

' М.А.Векслер. Автоматизация химических анализов растворов http://www.hiini.oglib.ru/bgl/9230/417.himl

8 Н.Саей. Ме55жеЛ-Ке51ЯпелесНтк.-Вег1т:Тес)1тк, 1967, - 72 р.

9 Измерительно-регистрирующая система www.aviamodelka.r4/misc-aerotruba3.Bhp

3.5 Подсистема документооборота Третий прототип 2-го ранга

Запрос

Инфопоток

3.5.1

3.5.2

3.5.5

3.5.3 3.5.4

_____ к

I

Ответ ' Ин| оп

Рис.8 Структура подсистемы документооборота мониторинга (ПсДМ) по прототипу [10, И] и предлагаемому решению (блоки: 3.5.1 - по серии, 3.5.2 - по ¡-му цеху/корпусу, 3.5.3 - по заводу, 3.5.4 - по складу / сбыту, 3.5.5 - интерфейса, 3.5.6 - интегратора документооборота, 3.5.7 - дополнительного интерфейса)

3.8 Прогнозирующая подсистема ! Четвертый прототип 2-го ранга

3.8.1

Запрос Инфопот

3.8.2

3.8.3

3.8.4

3.8.5

3.8.6---ч

OKj_________________

_______>

I________________________:

3.8.8

Ответ

Инфопоток'

Рис.9 Структура прогнозирующей подсистемы мониторинга (ППсМ) по прототипу [12]

и предлагаемому решению (блоки: 3.8.1 - построения модели, 3.8.2 - имитационного эксперимента, 3.8.3 - синтеза прогнозов, 3.5.4 - анализа последствий прогноза, 3.8.5 - оценки рисков, 3.5.6 - интерфейса, 3.8.7 - интегратора прогнозов/рисков, 3.8.8 - дополнительного интерфейса)

10 Автоматизация делопроизводства и документооборота http://www.docvision.com

'' Выбор системы документооборота http: //www, directum.ru/33869I.aspx

12 В.В.Глушенко. Диагностико-прогноэирующие системы управления информационными процессами в сетевых объектах, - СПб: СПГУВК, 1999, - 285 с.

Запрос

Инфопоток

3.9 Подсистема визуализации Пятый прототип 2-го ранга

. 3.9.7

3.9.1 3.9.2 19з| 3.9.4

к - 1 . -

Отдет Ин-

фопоток'

РисЛО Структура подсистемы визуализации мониторинга (ПсВМ) по прототипу [13]

и предлагаемому решению (блоки: 3.9.1 - задания системы координат ситуационного пространства, 3.9.2 - задания дискретов времени, 3.9.3 - задания желаемых состояний, 3.9.4 - вывода графики, 3.9.5 -интерфейса, 3.9.6 - графического интегратора, 3.9.7 - дополнительного интерфейса)

Проект 2.2 - структурные модели развитых прототипов.

Предлагаемые решения на уровне структур (подпроект 2.2.1) представлены по всем 3-м рангам на рис. 2-10 в виде прямоугольников и уголков серого фона, а также жирных стрелок. Суть развития - в обеспечении интеграции на уровнях: 5-ти блоков (интеграторы: слежения, измерения/ регистрации, документооборота, прогнозирования, визуализации); 3-х подсистем (интеграторы: мониторинга, адаптации, межподсистемных интерфейсов) и всей системы (табл.2).

При этом под системной интеграцией в интересах развития ИАС УМЭП понимали системно-преобразующий инфо-энерго-материальный процесс с функциями систематизации, объединения и использования действий с понятиями, знаниями и их сущностями при разрешении сложных проблемных ситуаций с учетом массы электролизного продукта в рыночной экономике путем организации жизненного цикла диалогово-логистической интегрированной автоматизированной системы на основе структуры субъектов деятельности, инструментально-коммуникационной среды и ресурсооборота,

13 81етепз: системы визуализации

Ьпр://№1. 51ете1В.т/Мех.т5?ге5=ги/рге55/пе«,5/пе«'5/|7408_!

направленными на уточнение задач, их позиционипрование и решение с целью выживания бизнеса при неблагоприятных условиях и устойчивого развития при благоприятных с передачей знаний в будущее

Для всех структур составлен пакет соответствующих им общих алгоритмических моделей на языке блок-схем по ГОСТ 19.701 (подпроект 2.2.2) Для всех этих алгоритмов уточнены критерии качества выполнения технологических, управленческих и информационных операций (подпроект 2.2.3)

Таблица 2

Суть предлагаемых технических решений

Системный ранг Суть предлагаемого технического решения для обеспечения развития

Интегрированная система УМЭП Системы интеграции мониторинга адаптации межподсистемных интерфейсов Использование методологии и инструментария системной интеграции для настройки на проблематику УМЭП с развитием мониторинга УМЭП Интеграция всех составляющих мониторинга, связанных с УМЭП, на основе тезаурусной онтологии (ТЕОН) показателей и критериев Адаптация триады «Субъекты деятельности - ресурсо-оборот - информационно/коммуникационная среда» к проблематике УМЭП Интеграция всех составляющих интерфейса, обеспечивающих УМЭП

Подсистемы интеграции слежения измерения/ регистрации документооборота прогнозирования и оценки рисков визуализации Интеграция всех составляющих следящей подсистемы, обеспечивающих мониторинг состояния ИАС УМЭП Интеграция всех составляющих измерительно-регистри-ующей подсистемы, обеспечивающих мониторинг состояния ИАС УМЭП Интеграция всех составляющих документооборота, обеспечивающих мониторинг состояния ИАС УМЭП Интеграция всех составляющих прогнозирования и оценки рисков, обеспечивающих мониторинг состояния ИАС УМЭП Графическая интеграция всех составляющих визуальной поддержки мониторинга состояния ИАС УМЭП

ПРОГРАММА 3 - ПРЕДПОСЫЛКИ ПРЕДПРИЯТИЯ ДЛЯ РАЗВИТИЯ ИАСУМЭП

Программа представлена 3-мя проектами с 11-ю подпроектами Основными предпосылками считали заводские исследования Гомера К.Г. (Интеграция АСУ ТП и АС диагностики состояния оборудования), Гребнева С А (АС диагностики состояния электролизного оборудования), Меньшикова В А (АС взвешивания и дозирования глинозема), а также разработки ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы», выполненные по заказу БАЗ

Проект 3.1 - электротехнология.

Подпроект 3.1.1 - пакет физико-химических формул для оценок массы электролизного продукта

Масса (М) получаемого электролизом алюминия (в соответствии с законом Фарадея) может быть рассчитана как.

М =Q Е ть (1)

где Q - количество пропущенного через ванну электричества, е - электрохимический эквивалент (для AI - 0,33577 г/А ч), л - выход по току,

Q=I t, (2)

где I - средняя сила тока серии ванн за сутки, t - время,

(rip для прогнозных оценок (Мр), (3)

Т]} для прямых оценок (Мэ),

rjp = К(Т)№ 1 , (4)

где Т|р - расчетный выход по току, К - эмпирический коэффициент, зависящий от температуры (Т) ванны, D - средняя плотность тока, L - межполюсное расстояние,

D^Jd^dl, (5)

где плотности тока dt - поперечная, dj - поверхностная,

11, =100Р/М, (6)

где Т|3 - эмпирический выход по току, Р - физическое количество вылитого алюминия + остаток его в ванне,

В итоге, прогнозируемая масса М = 1-1 ■£• К(Т)"1^'1' Следует также учесть, что

'V <1

где А = Ер К"'01»

С"

(8) (9)

(Ю)

С- концентрация примесеи в электролите, текущая и нормативная, соответственно, «р» -расчет

При этом существенно важно, что все характеристики в формулах (110) динамичны, те требуются их фиксация в заданные моменты времени, хранение этих массивов и их обработка (усреднение, статистика и т п ) Иными словами нужен информационно-интегративный подход к базовым физико-химическим описаниям

Подпроект 3.1.2 - основные технологические факторы и параметры Затем выделены основные факторы (табл.3) и параметры

Таблица 3

№ п/п Фактор Желаемое значение фактора

1 Средний ток серии за сутки I Максимально допустимое

2 Напряжение на ванне и Максимально возможное (3,8-4,3) В

3 Выход по току 1*1 Максимально высокий

3 1 Температура Т Оптимум - (950-965)°С

32 Плотность тока Оптимум - (0,6-1,1)А/см2

33 Межполюсное расстояние Ь Оптимум - (4-6,5) см

4 Состояние электролита Оптимальное

41 Уровень электролита Оптимум - (150-180) мм

42 Примеси (У205, Р205, Т1205)

в электролите Минимум <0,002%

43 Добавки в электролит Оптимум - 9%

Основные технологические параметры: - состав и расход глинозема,

- характеристика анодных эффектов (тип, время возникновения, длительность, напряжение),

- криолитовое отношение в электролизере,

- ток серии,

- среднечасовое рабочее напряжение электролизера (с учетом анодных эффектов),

- вес вылитого алюминия сырца,

- температура электролита в электролизере,

- уровень электролита,

- уровень металла в электролизере,

- характеристика капитальных ремонтов электролизеров,

- показатели осмотров и замен электродов,

- фактический вес вылитого алюминия,

- примеси в алюминии-сырце (металлические, неметаллические, газообразные).

Подпроект 3.1.3 - пакет частных алгоритмов

С учетом производственных инструкций и регламентов составлен пакет частных алгоритмов технологического и управленческого уровней (примеры приведены на рис 11-13) Проект 3.2-АСУ ТП.

Автоматизация технологического процесса электролиза алюминия осуществляется системами автоматического регулирования АСУ ТП «ЭЛЕКТРА» и АСУ «ТОК СЕРИИ», Подпроект 3.2.1 - управление перемещением анода

Основной функцией АСУТП «ЭЛЕКТРА» является автоматическая стабилизация теплового режима процесса электролиза за счет стабилизации на заданном уровне сопротивления электролизера за счет перемещения его анода.

В рамках ПТК АСУ ТП «Электра» на каждом электролизере установлены контроллеры управления приводом анода. С помощью кнопок на пульте контроллера фиксируется начало выливки металла и включается алгоритм выливки, который отслеживает снижение зеркала металла и перемещает анод вниз, выдерживая заданное межполюсное расстояние Моменты наступления анодных эффектов определяются автоматически Во время анодных эффектов автоматическое регулирование электролизера не производится

Контроллеры управления приводом анода соединены через локальную вычислительную сеть с серверами АСУ ТП «ЭЛЕКТРА» корпусов 1,2,3,4 и 6-й серии. Серверы работают в составе заводской сети Ethernet

Исполнитель Кремер А.В

Заказчик ОАО «БАЗ-СУАЛ»

Итерация 0 1 2(3)4 5 6 7 8 9 10

Начало цикла по вы-ливу жидкого алюминия

Учет отбора по установленным формам

С

D

>

j=l m

Отбор жидкого А1

8

Учет

Данные о состоянии электролизной и информационной систем

Отбор А1 из электролизеров по графику с сохранением «зеркала»

10

через пульты

11

Оповещение об отборе

14

Конец цикла по выливу _

15

С

12

1

Хранение данных об отборе

13

■ по цеху,

- по серии,

- по корпусу

16

17

Результаты,

Отчет,

Опыт

J>

Рис 11 Алгоритм функционирования информационно-измерительной системы взвешивания (ИИСВ)

Исполнитель Кремер А В

Заказчик ОАО «БАЗ-СУАЛ»

Итерация 0 1 2(3)4 5 6 7 8 9 10

Начало цикла по времени

по номограммам

11

по формулам

13

Конец цикла по времени

С

1-Г

3

>

1=1 т

Работа с массивами

{1,Спэ,М„с1г,Т}

Определение К(Т)

Вычисление (прогноз) поправок ДМР

Н_

т

15

С

3

Информация о

- квантах времени,

- емкости памяти,

- номограммах К(Т),

- модели расчета Мр

фиксация и хранение динамических массивов данных

Вычисление

I» (прогноз) Мр

1°

формулы (1-10)

16

Результаты,

Отчегг,

Опыт

Рис 12 Алгоритм прогноза массы

Исполнитель Кремер А В

Заказчик ОАО «БАЗ-СУАЛ»

Итерация 0 1 2(3)4 5 6 7 8 9 10

по эмпирическому алгоритму

- попарная разбивка ванн,

- указание расчетной (прогнозируемой) массы металла

И

по технологической инструкции

15

см раздел 3 I I

Начало 5 на рис 11

1

т

9

Информация о химсоставе алюминия по ваннам

Формирование задания на шихтовку

16

УчетМэ

17

Расчет сортно- по данным

сти металла ---- химанализа

8 1

Формирование

задания на вы-

ливку металла

9 1 10

Выливка

по технологиче-

металла в ковши ской инструкции

12 1

Снятие шлака

13 I 14

Взвешивание по технологиче-

ковшей ской инструкции

18

(^Сокец 5 на рис ГР^

Результаты,

Отчет,

Опыт

Рис 13 Алгоритм процедуры «Отбор жидкого металла» (блок 5 на рис 11)

Подпроект 3.2.2 - управление током

Обеспечение относительно неизменной, определенной технологическим регламентом, величины постоянного тока в цепях серий электролизеров является определяющим фактором оптимального протекания технологического процесса электролиза алюминия, выпуска качественной продукции, экономии электроэнергии и сырья.

Автоматическая стабилизация среднего (планового) тока серии за счет стабилизации мгновенного тока в заданных пределах допуска является основной функцией АСУ «ТОК СЕРИИ»

В качестве аппаратной базы системы используются контроллеры SIMATIC (S7-200 и S7-300) производства фирмы SIEMENS АРМ состоит из компьютера и монитора (пакет визуализации InTouch 7 0 фирмы WanderWare) и пр Вся информация хранится в файлах и доступна из сети Подпроект 3.2 J - управление загрузкой глинозема

Глинозем поступает из товарных башен по пневмотранспорту, дозируется в высыпных механизмах и развозится электрокарами к ваннам. Для части электролизеров установлены системы автоматической подачи глинозема, соединенные через сервер АСУ ТП «Электра» каждой пары корпусов с заводской сетью Ethernet

Подпроект 3.2.4 - управление выпивкой металла

По мере заполнения электролизных ванн металлом производится его выливка в вакуум-ковши. Начало выливки отмечается кнопкой на пульте, данные с которого поступают в АСУ ТП «Электра». Проект 33 - АС мониторинга Подпроект 3.3.1 - мониторинг оргструктур

Мониторингом охвачены корпуса основных электролизных цехов, корпуса электролизных цехов 6-ой серии, литейное отделение, отделы. ОТК, ЦЗЛ и планово-экономический, склад и опытно-экспериментальный цех Подпроект 3.3.2 - мониторинг исполнителей

Выявлена структура заинтересованных субъектов (табл 4) Разработан шаблон таблицы «Информационные функции, выполняемые по запросу автоматизированной системы, со столбцами (пользователь, действия пользователя, функции ПТК), и строками для 23 типов пользователей

Таблица 4

№ п/п Уровень Субъекты

1 Собственник

2 Завод Гл инженер Гл экономист Зам директора по реализации продукции Нач АСУ

3 Цех Нач цеха Технолог цеха Рук цехового АСУ

4 Корпус Старший мастер Сменный мастер Технолог корпуса Инженер АСУ

5 Серия Технолог серии Инженер АСУ

6 Аппарат Аппаратчик Электролизник КИПА

Подпроект 3.3.3 - мониторинг ресурсов

Среди мониторируемых ресурсов, финансовые, материальные, энергетические, людские, информационные, временные, как обычно Все они (в разной степени) поддержаны информатизацией Подпроект 3.3.4 - мониторинг продукта.

Полученный электролизом алюминий-сырец отслеживается по дальнейшей технологической цепочке: электрорафинирование, литье, переплав отходов, приготовление лигатур, склад. Мониторируются трафик и состав сырца (металлические, неметаллические и газообразные примеси) Для продукта фиксируют твердость, температуру плавления, электропроводность, химсостав и пр

ПРОГРАММА 4 - РАЗВИТИЕ ИАС УМЭП В НАПРАВЛЕНИИ СИСТЕМНОЙ ИНТЕГРАЦИИ

В программе выполнено 4 проекта с 12-ю подпроектами Проект 4.1 - организационно-технологические диаграммы.

Разработан пакет организационно-технологических диаграмм, две из которых (в рамках подпроектов 4.1.1 и 4.1.2) приведены на рис 14 и 15 Здесь, во-первых, учтены основные действия по интеграции, выполняемые электролизным цехом (начальник цеха, технолог цеха, сотрудники технологического бюро, старшие мастера корпусов, бригадиры электролизников), литейным отделением (мастер, весовщики, кладовщик), опытно-экспериментальным цехом Во-вторых, представлены технологические связи, как основа инфопотоков

Интеграция обеспечена за счет организации системы диалогов Проект 4.2 - информационные потоки.

Подпроект 4.2.1 - основа для выделения информационных потоков АСУ «МАССА».

Диаграмма (рис 16) дает укрупненное представление о 15 основных

информационных потоках, сходящихся к интегрированной базе данных

Подпроект 4.2.2 - диаграмма главных информационных потоков АСУ «МАССА».

В диаграмме отражены основные серверы, компьютеры и пульты (рис

17).

Интеграция в проекте 4 2 достигнута за счет организации информационной логистики

иач Электролизного иеха учет металла при выливке электролиэн цеха

-учет металла из литейного отд

Л итейное отделение

мастер

-задание ма выливку от старшего мастера корпуса •хим состав металла

•учет металла при выливке электролиэн иеха -учет металла из литейного ото

Весовщик -ввод(с пульта) -начало(кнопка) взвешивания пустого ковша из литейное отд.

•нйчгло(кнопка) взвешивания ковша после снятия шлака в литейное отд -направление движения ковша (Хгконвейера, миксер)

Весовщик готовой продукции ввод(с пульта) -начало(кнопка) взвешивания штабелей -Хз конвейера, миксер

Кладовщик ввод(с пульта)

штабелей по № вагонов на отгрузку

Электролизный цех корпуса 5,6

Технологическое бюро •учет металла при выливке электролиэн цеха

•расчет шихтовки для формирования сортности ввод

•информ о кап ремонте -информ о процессе обжига

Старший мастер корпусов •хим состав металла -учет глинозема поступившего в корпус из товарных башен ввод

•расчет шихтовки для формирования сортности -задание на выливку (распределяет ванны для выливки) •ввод электролизеров работающих на лигатуре

•дозировка глинозема по электролизерам

•добавки фтористых солей •температуры на ваннах •уровень электролита •уровень металла -уровень а.массы

Технолог

-учет глинозема поступившего в корпус из товарных башен

•дозировка глинозема в бункера из товарных башен -учет металла при выливке электролизн цеха •задание на выливку •хим состав металла •расчет шихтовки для формирования сортности -информ о кал ремонте ввод

•ввод вывод из работы электролизеров

Бригада электролиза (4 на корпус в смену)

Ответств за выливку

вывод(на пульт) -задание на выливку

ввод (пульт АСУ Электра и Переносной пульт)

• иачало(кнопка) окончание выливки

Опытноокспери ментальный цех

•учет металла при выливке электролиэн цеха -хим состав металла на электролизерах

-хим состав электролита -криолитовое отношение по электролизерам -крупность глинозема -графики технологических параметров работы электролизеров расчет

-выход по току электролизных ванн

Рис 14 Организационная диаграмма АСУ "Масса"

Рис 15 Диаграмма технологических процессов, охватываемых АСУТП "Масса"

Рис 16 Диаграмма информационных потоков АСУ "Масса"

Рис. 17 Диаграмма главных информационных потоков АСУ "Масса"

Проект 43 - мифологические модели БД.

В рамках подпроектов 43.1 - 43.6 построены инфологические модели процессов электролиза, выливки металла и литья (рис 18), деятельности ОТК и ЦЗЛ, а также ввода с пультов и работы серверов

Интеграция в проекте 4 3 обеспечена за счет организации жизненного цикла диалогово-логистического единства всех видов информационно-управленческих средств. Проект 4.4 - информационная сеть. Подпроект 4.4.1 - информационная сеть АСУ «МАССА»

Состав информационной сети АСУ «МАССА», представленный укруп-ненно на рис. 19, включает главный сервер, серверы локальных АСУ ТП (ток серии, электро, химанализ) и отдельные АРМы, объединенные стандартом Ethernet.

Подпроект 4.4.2 - локальные схемы автоматизации.

В качестве примера на рис. 20 приведена функциональная схема автоматизации 6-ой серии электролизного цеха. На главном сервере предусмотрена БД, обслуживающая от 10 до 100 клиентов (MS SQL). На сервере 6-ой серии - БД с 5-15 клиентами (Sybase). ОС-Windows 2000Server Программа-драйвер связи с весовыми терминалами - BorlandC++ Bilder На клиентских машинах - Windows 2000Professional

Интеграция в проекте 4.4 получена за счет позиционирования задач и действий персонала в составе ИАС

шт

т

- N

- Название

-ы

- ковша

-N1 электрол.

- N2 электрол. М1 задан М2 задан

- М1 факт М2 факт время

N бриг, электрол. N смен, электрол. сорт

- М после снятия шлака N бриг, литейн. отд.

- N смен, литейн. отд.

- ФИО весовщика литейн. отд.

Лиг«*..

- N штабеля

- N1 выливки

- N2 выливки

- М с ковша 1

- М с ковша 1

- М штабеля

- время начала _ - время оконч.

• время слива

- время рафинирования

- время литья

- - температура МАХ

- N сорт

- колич. слитков

- N форма слитков

- N бриг, литейн. отд.

- N смен, литейн. отд.

- ФИО весовщика готовой продукции

- N сертификата

Рис. 18 Функциональная диаграмма БД главного сервера АСУ «МАССА: выливка и литье»

31

АРМ начальника электролизного цеха. - управление цехом, ■ технический отдел

АРМ ЦЗЛ. спектроскопия, кристаллооптика

АРМ опытно-

экспериментального

отдела

Ethernet

АРМ технико-

экономического

отдела

АРМ цеха кальцинации

АРМ планово-экономическог отдела

Серверы АСУ ТП

ток серии

электра химанализ

Главный сервер А0У «МАССА»

Рис 19 Информационная сеть АСУ «МАССА»

Литейное отделение

Помещение КПП4

Помещение -главная серверная" АСУ "Электра"

РС5 АРМ программиста

Ш«а$ SP3 _

SVG Главный Сервер ■АСУ Масха'

A3 Switch

О&кемеадская сеть Ethernet

Здание управления Здание ЦЗЛ Эпекгрол.цех.

РС7 АРМ спектральной лаборатории

PCS 2 АРМ лаборатории |фисталлооптики

Рис.20 Функциональная информационная схема

ПРОГРАММА 5 - ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДЛАГАЕМЫХ РЕШЕНИЙ

Программа включает в себя 3 проекта с 3-мя подпроектами Проект 5.1 - этапность реинжиниринга АС УМЭП.

Реинжиниринговое развитие системы осуществлено в условиях ОАО «Б АЗ-СУ АЛ» в два этапа (рис 21).

Рис 21 Этапность реинжиниринга АС УМЭП (состояния системы С1 - до, С2 - на 2004/05 гг, СЗ - на 2008 г , работы по реинжинирингу 1 - первый этап, 2 - второй этап)

На этапе 1 к проведению НИОКР привлекалось ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы». Им разработаны схемы подключения оборудования, электрические схемы, габаритные чертежи, информационная сеть Разработки выполнены на уровнях технического предложения и технического проекта При этом реализована профильная интеграция автоматизированных систем «МАССА», «ЭЛЕКТРА», «ТОК СЕРИИ», «ХИМАНАЛИЗ»

На этапе 2 интеграция развита нами до следующих элементов структуры в соответствии с рис. 2-10 системный интегратор (5), мониторинговый интегратор (3 11), адаптирующий интегратор (5 5), интерфейсный интегратор (6 6), интегратор слежения (3 1 6), измерительно-регистрирующий интегратор (3 2 5) и графический интегратор (3 9 6)

Проект 5.2 - оценка результативности предложенных решений. Подроект 5.2.1 - экономико-математическая модель

Для экономико-математических оценок использовали компилятивную прототипную модель141516,17

" Я В Шевелев, А В Клименко Эффективная экономика ядерного топливно-энергетического комплекса ■ М РГТУ, 1996, -736 с

15 Методика определения экономической эффективности АСУП и АСУ ТП

16 Справочник проектировщика АСУ ТП http7/www mexanik ru/192/ogl htm

17 Ю В Псигин Управление системами и процессами в машиностроении - Ульяновск, УГТУ, 2003

Э = £(Э «)-. (И)

ы

где Э - системно-интеграционный показатель эффективности,

эффекты Э1 - экономический, Э2 - социальный, Эз - научно-технический, а, - весо-

з

вой коэффициент, =1, /-1

Э| = Эп ам +Э12 а,2 , (12)

где Э| 1 - годовой экономический эффект,

Э12 - коэффициент экономической эффективности,

Э„=Э'Хтр, Эп=ЭУТР, (13)

где Т, ТР - текущее и требуемое значения,

Эп =

'с, +ЕН ■К] С2 + Ен Кг Л

(14)

где С1, С2 - полная себестоимость годового товарного выпуска алюминия до и после внедрения АСУ,

К1, Кг - среднегодовая стоимость производственных доходов до и после внедрения АСУ,

А), Аг - годовой объем алюминия до и после внедрения АСУ, Ен - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений,

Э12=Ен+^, (15)

где Кс - капитальные затраты на АСУ

При этом важен и срок окупаемости затрат на АСУ, равный Э^

Подроект 5.2.2 — работа планово-экономического отдела по учету массы

В планово-экономический отдел поступают данные из корпусов электролизного цеха о выливке металла по каждому электролизеру, массе металла и сорте готовой продукции из литейного отделения, об уровне металла в ваннах, высоте анода, уровне электролита, а также - утвержденные таблицы для расчета расходов глинозема, электроэнергии, криолита, фтористого алю-

миния. Кроме этого поступают данные о капитальных ремонтах электролизеров На основании этой информации формируются отчеты

Компьютеры отдела подсоединены к существующей БД MSSQL учета капитальных ремонтов электролизеров Прием данных о химическом составе осуществляется посредством файлов-таблиц (Foxpro DBF-файлы)

При обеспечении информационных потоков по всем структурам в полном объеме планово-экономический отдел получает возможность формирования отчетов (по выплавке и движению металла) из базы данных АСУ "Масса"

Проект 5.3 - эффекты от внедрения.

Результаты диссертационного исследования используются в электролизном цехе филиала «БАЗ-СУАЛ» с 26 февраля 2007 года с эффектами- экономический:

фактический-21283016 руб в год; ожидаемый - 26603770 руб в год;

- научно-технический - повысилась точность учета сырья, готовой продукции и улучшилась оперативность управления технологическими процессами,

- социальный - улучшение культуры труда и условий производства

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подтверждена гипотеза о возможности развития автоматизированной системы учета массы получаемого электролизом алюминия за счет прототи-пирования мирового опыта, структурирования заводских предпосылок, более глубокого моделирования структур и процессов на основе методологии и инструментария системной интеграции.

В результате получено новое знание в виде пакета моделей, на базе которого развита автоматизированная система учета массы электролизного продукта с практическим эффектом.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1 К Г Гомер, А В Кремер и др / Отчет о НИОКР «Разработка принципиальной концепции развития АС учета металла в корпусах электролизного цеха БАЗ «АСУ-МАССА» Технический проект Обследование электролизного производства, регламентов его контроля и систем АСУ «Электра» и «Ток серии» / т I, - Екатеринбург БАЗ, 2004,-36 с

2. Те же, то же Технический проект Разработка комплексной иерархической модели АСУ «Масса» структурные схемы и математические описания, т 2, - Екатеринбург- БАЗ, 2004, - 32 с

3 Те же, тоже Технический проект Функциональные структуры системы АСУ «Масса», выбор аппаратного и программного обеспечения, тЗ, - Екатеринбург БАЗ, 2004,- 19 с

4 КГ Гомер, А В Кремер и др / Отчет о НИОКР «Автоматизированная система учета металла в корпусах электролизного цеха БАЗ «АСУ-МАССА» Техническое задание 6-ая серия, - Екатеринбург БАЗ, 2004, - 17 с

5 А В Кремер, С А Гребнев, В И Кузякин Проблемы инжиниринга систем учета готовой продукции «БАЗ-СУАЛ» / Сб «Академия инженерных наук на Урале научно-практическая и организационная деятельность на рубеже веков, т 3 «Приборостроение и информационные системы контроля, диагностики и управления», - Екатеринбург АИН РФ, 2006, с 31-34

6 С А Гребнев, А В Кремер Экономико-математические балансовые модели управления материальными потоками электролизного производства БАЗ, там же, с 4347

7 А В.Кремер, С Л Гольдштейн Проблема автоматизации учета массы электролизного продукта выход на пакет прототипов и его развитие // Сб ЧЦНТИ, - Челябинск 2008 (в печати)

Подписано в печать 21 08 2008 Формат 60x80 1/16 Бумага офсетная Гарнитура "Тайме" Печать офсетная Объем 1,4 печ л Тираж 100 экз Заказ № 511

Отпечатано в типографии "Центр Цифровой Печати" 624440 г Краснотурьинск, ул Попова, 35