автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Совершенствование технологического процесса отделки обсадных труб на основе имитационной модели

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Методы и цели построения имитационных моделей управления технологическими процессами.

1.2. Задачи исследования.

Глава П. СОДЕРЖАТЕЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ОТДЕЛКИ ТРУБ

2.1. Общие сведения.

2.2. Существующая маршрутная технология изготовления обсадных труб.

2.3. Описание новой марптутной технологии отделки труб.

2.4. Технологическая схема участка отделки и сдачи гладких труб.«.

2.5. Выводы.

Глава Ш. ПОСТРОЕНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УЧАСТКА ОТДЕЛКИ ТРУБ

3.1. Вводные понятия и определения.

3.2. Формальное описание участка отделки труб.

3.3. Разработка моделирующего алгоритма участка отделки труб.

3.4. Разработка программного обеспечения.

3.5. Проверка адекватности модели.

3.6. Выводы.

Глава 1У. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УЧАСТКА ОТДЕЛКИ ТРУБ

4.1. Формирование исходных данных.

4.2. Моделирование технологического процесса.

4.3. Выводы.

Глава У. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОТДЕЛКИ ТРУБ

5.1. Анализ результатов моделирования.

В соответствии с социально-экономическими задачами десятой пятилетки и в проекте "Основные направления развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 годы" изложена программа дальнейшего развития материального производства, совершенствования его структуры, повышения качества и технического уровня продукции. Для выполнения этой программы определены главные направления развития отраслей промышленности, в том числе, в черной металлургии - значительное увеличение производства высокопрочных труб, прежде всего нефтяного сортамента. Исходя из этого на Челябинском трубопрокатном заводе принято решение осуществить реконструкцию маршрутной технологии по производству обсадных труб для увеличения выпуска продукции и повышения качества.

Основной целью данной работы является совершенствование технологического процесса горячей и холодной.(чистовой) отделки обсадных труб на основе имитационной модели.

Наличие имитационной модели позволяет изучить поведение процесса в зависимости от структуры маршрутной технологии и значений параметров, осуществить количественный анализ процесса функционирования нового производственного цикла.

Построение модели основано на принципе выделения агрегатив-ных частей процесса, установления взаимосвязей между ними и разработки математической конструкции более общего вида - системы взаимодействующих агрегатов.

На основе анализа работы участка отделки труб выделен ряд элементарных актов процесса, из совокупности которых и их взаимодействия построена модель абстрактной операции,.достаточно адекватно отображающая любую из реальных операций, входящих в маршрутную технологию отделки. В качестве математической схемы, для Формального описания абстрактной операции применен агрегат, позволивший создать единый подход при разработке модели, алгоритма и комплекса программного обеспечения.

Характер и структура взаимосвязей между операциями технологического процесса установлены на основе изучения существующей маршрутной технологии, информационных потоков движения полуфабрикатов и плана реконструкции трубопрокатного цеха. Структура моделирующего алгоритма, определяемая характером взаимосвязей и математической схемой формализации объекта управления, предусматривает имитацию взамодействия между отдельными операциями участка отделки, их функционирование, формирование входных, управляющих и возмущающих воздействий, обработку результатов моделирования и проверку условий на окончание моделирования.

Для реализации алгоритма разработано программное обеспечение модели. Пакет программ, написанных на языке АЛГОЛ-бО, состоит из программ, реализующих моделирующий алгоритму ряда сервисных программ по обслуживанию алгоритма. Комплекс программного обеспечения позволил провести исследование модели с целью проверки адекватности, а также решение задач по определению показателей эффективности реконструируемого технологического процесса и согласованию параметров устанавливаемого оборудования.

Проверка соответствия модели абстрактной операции реальному объекту осуществлена на операциях "прокатный стан" и "огневая резка", входящих в состав новой и существующей маршрутной технологии.

Для отладки модели использовались результаты хронометрирования и обработки статистического материала. Работоспособность моделирующего алгоритма системы оценивалась на основе сравнения результатов моделирования и эксперимента, проведенного на существующем процессе.

Решение задачи по согласованию технологического процесса участка отделки труб выполнено б два этапа. На первом этапе определяется оптимальная производительность устанавливаемого оборудования (оптимальная продолжительность выполнения операции). Для этого разработан алгоритм минимизации выпуклого функционала, за- ' данного имитационной моделью. В отличие от известных алгоритм более быстродействующий и позволяет определять минимум функции цели на интервале (О, оо ) , не задаваясь предварительно числом экспериментов. На втором этапе осуществляется коррекция параметров технологической операции для определения оптимальных режимов работы последующей маршрутной технологии. Эффективность этого алгоритма и методики исследования дискретного производственного процесса показана также на примере моделирования системы с разделением времени.

В результате проведенных исследований выданы рекомендации по совершенствованию технологического процесса участка отделки труб для достижения оптимальных показателей эффективности.

На защиту выносится:

- имитационная модель технологического процесса отделки обсадных труб;

- критерий оптимальности и алгоритм минимизации функции, заданной имитационной моделью;

- алгоритм согласования технологического процесса с последовательной маршрутной технологией;

- методика определения показателей эффективности проектируемого технологического процесса отделки обсадных труб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Содержательное описание нового технологического процесса отделки обсадных труб является основным этапом на пути формализации и построения математической модели. Базой для его составления служат результаты накопленного опыта и наблюдения за процессом функционирования существующей маршрутной технологии, а также наличие ситуационного плана реконструкции и технической документации.

2. Технологический процесс отделки целесообразно рассмотреть как агрегативную систему. Представление процесса функционирования операции в виде агрегата позволяет применить единое математическое описание при формализации исследуемого объекта управления.

3. Сравнение результатов моделирования и эксперимента, проведенного на существующем процессе, подтвердило высокую степень адекватности модели реальному объекту, работоспособность и эффективность моделирующего алгоритма.

4. Предложенный критерий оптимальности обеспечивает достижение основной цели при оптимизации технологического процесса участка отделки труб - максимальная загрузка оборудования при минимальном времени ожидания оборудования полуфабрикатом.

5. Разработанный алгоритм минимизации выпуклого функционала, заданного имитационной моделью, обеспечивает быструю сходимость, при этом для достижения цели не требуется предварительно устанавливать число экспериментов и интервал варьирования аргумента.

6. Моделирование технологического процесса участка отделки труб, а также системы с разделением времени показало высокую эффективность алгоритма минимизации выпуклого функционала и критерия оптимальности.

7. Производство обсадных труб целесообразно организовать на одной технологической линии.

8. Оптимизация технологического процесса отделки обсадных труб на Челябинском трубопрокатном заводе позволяет повысить производительность участка на 3,2%.

9. Результатом согласования технологического процесса является сокращение площадей промежуточных складов и приемных карманов операций в 5-10 раз, а также значительное уменьшение оборудования на ряде операций маршрутной технологии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная работа представляет собой разработку логического и математического обеспечения имитационной модели, предназначенной для проведения исследований дискретного производственного процесса с последовательной маршрутной технологией с ориентацией на участок отделки обсадных труб первого цеха Челябинского трубопрокатного завода. Рассмотренные вопросы относятся к комплексу задач совершенствования технологических процессов. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты:

1. Разработана имитационная модель участка чистовой отделки труб,с достаточно высокой степенью точности отображающая реальное функционирование процесса. Модель позволяет проводить исследования как на стадии проектирования технологического процесса, так и в процессе эксплуатации участка отделки.

2. Проведены экспериментальные исследования модели с целью выдачи рекомендаций по организации работы участка чистовой отделки труб. Реализация рекомендаций позволила организовать производство обсадных труб на одной технологической линии и увеличить выпуск продукции на 3,2%, сократить количество оборудования на ряде операций технологического процесса, освободить производственную площадь, что подтверждено актом внедрения.

3. Предложена методика выбора оптимального варианта маршрутной технологии (на основе согласования процесса). Разработанные в соответствии с этой методикой модель, алгоритм и программы, доведены до практической реализации. Имитационная модель обеспечивает получение оптимальных параметров системы в смысле предложенного критерия и требований. При этом достигается: а) рациональная загрузка оборудования; б) оптимальное время реакции системы.

Эффективность методики и универсальность критерия оптимальности подтвердилась при выборе оптимального варианта многопультовой системы, объекта, принадлежащего к классу вычислительных систем, что также отражено в акте внедрения,

4, Разработан быстродействующий алгоритм минимизации функционала, заданного имитационной моделью, В отличие от известных, он обладает быстрой сходимостью, не требует предварительного установления границ аргумента и предварительного количества экспериментов для достижения цели.

1. Бусленко Н.П., Калашников В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. - М.: Сов.радио, 1973. - 438 с.

2. Бусленко Н.П. Математическое моделирование производственных процессов на ЭЦВМ. М.: Наука, 1964, - 362 с.

3. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1968. - 355 с.

4. Донской Л.Я., Власов С.А., Рожков И.М. Моделирование на ЭВМ технологического комплекса "конверторы-МНЛЗ" с целью выбора оптимальных параметров. Сталь, 1977, №4, с.307-311.

5. Тарнопольский Ю.Я.,Белих Л.И. Статистическая модель цеха (участка) единичного и мелкосерийного типа производства.

6. В кн.: Алгоритмы и программы случайного поиска: Сб.статей/ АН ЛатвССР, ин-т электроники и вычислительной техники. Рига: Зинанте, 1969, с.305-315.

7. Полляк Ю.Г. Вероятностное моделирование на электронных вычислительных машинах. М.: Сов.радио, 1971. - 399 с.

8. Феликсов Г.И. Моделирование задачи об оптимальной транспортировке на перерабатывающие заводы сахарного тростника. В кн.: Вычислительная математика и статистические модели сложных систем: Труды института, ч.П. М.: МЭСИ, 1974, с.144-152.

9. Богомолов Л.П., Гайстеров С.Ф., Ермилов В.А. Имитационное моделирование вычислительных систем. В кн.: Моделирование сложных систем: Сб.статей/ АН ЛатвССР, ин-т электроники и вычислительной техники. - Рига: Зинанте, 1975, вып.4, с.57-83.

10. Пирогов В.А., Петров Ю.П., Гайстеров С.Ф. Аналитическое моделирование вычислительных систем. В кн.: Моделирование сложных систем: Сб.статей/ АН ЛатвССР, ин-т электроники и вычислительной техники. - Рига: Зинанте, 1975, вып.4, с.3-56.

11. Киреев В.А., Куранова Л.Н., Перфильева Е.А. Модель АСУ промышленным предприятием. М.: Статистика, 1978. - 126 с.

12. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1977. - 238 с.

13. Тунаков А.П. Перспективы машинного проектирования двигателей. В кн.: Методы выбора и оптимизации проектных решений: Межвуз.сб. - Горький, 1977, с.60-66.

14. Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Об одном подходе к математическому моделированию технологических процессов механической обработки. В кн.: Автоматизированное и оптимальное проектирование: Межвуз.сб. - Горький, 1977, с.39-56.

15. Jorg G. Bedeutung und methodik: der Simulation zur Lo-sung von Materialflubproblemen.- Stahl und Eisen, 1974.

16. Бочек Е.А. Имитационное моделирование в исследованиисистемы планирования и управления ведохозяйственным строительством. в кн.: Математическое обеспечение автоматизированных систем управления: Тез.докл. Всес.науч.конф. Москва, 1975, с.223-224.

17. Рожков И.М., Власов С.А., Алешенко Г.М. Математические модели конверторного процесса. В кн.: Математическое обеспечение АСУП: Тез.докл.второго Всес.семинара. - Москва, 1975,с.155-157.

18. Михайловский В.Н., Халезов М.Н., Митенев А.А. Имитационные машинные модели при проектировании сталеплавильных цехов.1. Сталь, 1976, М, с.31-34.

19. Гуляев А.И., Яковенко Л.П. Использование имитационного моделирования в исследовании и оптимизации поточных сборочных процессов. УСиМ, 1973, №5, с.99-104.

20. Зайцев С.Н. Анализ и синтез оптимальных структур технологических линий в прокатном производстве. Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1978, №7, с.172-175.

21. Хайкин Б.Е., Кирпиков Н.Л., Коновалов С.А. Статистическое моделирование на ЭВМ яаботы производственных участков металлургического завода. В кн.: Применение ЭВМ в металлургии: Тез.докл. первой Всес.конф. Москва, 1973, с.152-153.

22. Аветисян Р.А., Егоров С.В., Мачкин П.И. Задачи синхронизации в АСУ дискретно-непрерывных технологических процессов.- В кн.: Достижения и перспективы развития технической кибернетики: Тез.докл. Ш Всес.конф. Киев, 1975, вып.2, с.62-64.

23. Бусленко Н.П. Сложные системы и машинная математика.- Вестник АН СССР, 1967, №4, с.37-48.

24. Цветков В.Д. Система автоматизации проектирования технологических процессов. М.: Машиностроение, 1972. - 240 с.

25. Чарнко Д.В. Основы выбора технологического процесса механической обработки. М.: Машгиз, 1963. - 320 с.

26. Шакалис В.В. Моделирование технологических процессов.- М.: Машиностроение, 1973. 136 с. '

27. Черноруцкий Г.С., Зырянов Г.В., Пельцвергер Б.В. К вопросу реализации имитационных моделей стохастических систем. В кн.: Стохастические системы управления: Тез.докл. Всес.конф. Челябинск, 1976, с.37-38.

28. Бусленко Н.П. Об одном классе сложных систем. В кн.: Проблемы прикладной математики и механики: Сб.статей. - М.: Наука, 1971, с.55-66.

29. Бусленко Н.П., Аверкин А.Н. О формальном описании связеймежду элементами сложной системы. Кибернетика, 1972, №6, с.45-53.

30. Калашников В.В. Представление кусочно-линейного агрегата в виде системы из простых агрегатов. Электронная техника, 1975, серия 9, вып.2(10), с.54-63.

31. Коваленко И.Н. О некоторых классах сложных систем.- Известия АН СССР. Техническая кибернетика. 1964, №6, с.З-П.

32. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования.- Электронная техника, 1975, серия 9, вып.2(10), с.41-47.

33. Бусленко В.Н., Бусленко Н.П., Калашников В.В. Имитационная модель агрегативной системы. Программирование, 1975, И,с.60-71.

34. Каданэр Э.Д., Портной Л.С. Регулирование производственного процесса на участке однономенклатурного поточного производства. В кн.: Труды научно-исследовательского института управляющих машин и систем: Сб.статей. - Пермь, 1971, вып.5, с.34-41.

35. Маркович Г., Хауснер Б., Карр Г. СИМСКРИПТ. Алгоритмический язык для моделирования. М.: Сов.радио, 1966. - 152 с.

36. Глушков В.М. СЛЭНГ система программирования для моделирования дискретных систем. - Киев: Наук.думка, 1969.- 413 с,

37. Трапезников В.А. Автоматизация проектирования систем управления. М.: Статистика, 1979. - 204 с.39* Lorenz,P., Pillasch. Н., Winkler A. Blockorientierte Simu-lationssprachen fur discrete Prozesse.- Rechentechn./Datenverarb., 1978, №15, Beih.3, S. 33-37.

38. Гусев В.В., Марьянович Т.П. Санюк М.А. Программное моделирование сложных систем. УСиМ, 1972, !':!, с.19-27.

39. Юдин Д.Б. Задачи и методы стохастического программирования. М.: Сов.радио, 1979. - 392 с.

40. Беллман Р. Динамическое программирование. М.: Ин.литер., I960. - 400 с.

41. Беллман Р., Калаба Р. Динамическое программирование и современная теория управления. М.: Наука., 1969. - 118 с.

42. Понтрягин Л.С., Болтянским В.Г., Гаикремидзе Р.В. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1976. - 392 с.

43. Ebersbergen Н. Sistemsimulation als Entscheidungshilfe.-Dadascope, 1977, 124, s. 54-67.

44. Martin V. Such-und Identifikationsverfahren fiir automa-tische Modellexperimente.- Rechentechn./Datenverarb, 1978, №1, s. 17-20.

45. Булатов Ю.Н. Методы алгоритмизации процессов прокатного производства. М.: Металлургия, 1979. -192 с.

46. Ериклинцев В.В., Фомин С.Я., Фотов А.А. Определение методами математического программирования оптимальных технологических маршрутов изготовления холоднодеформированных труб.- Сталь, 1968, К; 8, с.727-731.

47. Шевакин Ю.Ф., Рытиков A.M. Выбор технологических схем производства труб и состава оборудования с использованием ЭВМ.- В кн. : Исследование процессов обработки давлением цветных металлов: Сб.статей/ ВНИТИ. М.: Металлургия, 1971,вып.34, с.42-50.

48. Власов А.А., Коваленко В.В., Лукошников В.В. Основные принципы рационального раскроя металла на блюминге 1500 и УБС.- В кн.: АСУ технологическими процессами в поокатном производстве: Сб.статей/ Ин-т автоматики. Киев: Техника, 1975, с.26-30.

49. Булатов Ю.И., Гарбер Э.А., Кайнова Н.А. Автоматизированная система фабрикации слябов толстолистового стана 2800. Сталь, 1977, №7, с.634-636.

50. Булатов 10.Н., Новожилов В.И., Ткачев А.А. Разработка методов решения задач планирования цеха холодной прокатки на ЭВМ.- Приборы и системы управления, 1972, №8, с.11-12.

51. Бусленко Н.П., Соколов Г.А. Об одном классе задач оптимального распределения. Экономика и математические методы, 1965, т.1, вып.1, с.123-136.

52. Старосельский В.А. Об оптимизации функционалов, заданных статистической моделью. Экономика и математические методы, 1967, т.З, вып.З, с.153-159.

53. Старосельский В.А. К вопросу об оптимизации некоторых систем массового обслуживания. Киев: Кибернетика, 1967, №3, с.47-52.

54. Корхин А.С., Волынский Э.И. Определение оптимальных параметров процесса производства горячекатанных труб. Экономика и математические методы, 1972, т.8, вып.4, с.589-595.

55. Бондаренко П.С., Корхин А.С., Меласенко В.И. Математическое моделирование участков трубопрокатного цеха. В кн.: Автоматизация горнорудного и металлургического производства: Сб.статей/

56. Научно-исслед. и опытно-констр. ин-т автоматизации черной металлургии. М.: Металлургия, 1970, вып.5, с.119-124.

57. Евдонин A.M. Исследование многономенклатурного производственного процесса на имитационной модели. В кн.: Применение ЭВМ в металлургии; Тез.докл. первой Всес. научно-техн.консо. Москва, 1973, с.143-144.

58. Евдонин A.M., Цыганков В.А., Ботов Н.Г. Адаптивное управление нестационарными распределенными объектами в ИАСУ производством бесшовных труб. В кн.: Стохастические системы управления: Тез.докл. Всес.конф. Челябинск, 1976, с.66-68.

59. Евдонин A.M. Решение ряда задач проектирования АСУТП на имитационной модели. В кн.: Проблемы автоматического контроля и управления в технологии производства радиоэлектронной аппаратуры: Тез.докл. Всес.научнг-техн.совет. Москва, 1976, с.6.

60. Евдонин A.M., Черединов М.Н. Моделирование и разработка многопультовой системы. Челябинск, 1977. - 98с. Рукопись представлена Челяб.политехи.ин-том. Деп. в ЦНИЙТЭИ приборостроения4 мая 1978, Й913-Б.

61. Евдонин A.M., Черединов М.Н. Многопультовая система на базе ЭВМ М-222. В кн.: Технические средства и программированное обучение в учебном процессе: Труды межвуз.научно-метод.конш. Челябинск, 1977, с,56-65.

62. Программирование и решение задач с помощью многопультовой системы на базе ЭВМ М-222: Учебное пособие. Евдонин A.M., Черединов М.Н., Полторан И.И. Челябинск: ЧПЙ, 1978, - 106с.

63. Лукацкий A.M. 0 машинной реализации кусочно-линейногоагрегата. Электронная техника, 1974, серия 9, вып.2(10), с.64-68.

64. Юркевич О.М. О регистровом методе моделирования сложных систем. Электронная техника, 1974, серия 9, вып.2(10), с.48-54.

65. Shannon R. Simulation modelling and metodology.- Simuletter, 1977, №3, s. 33-38.

66. Максимов Ю.М., Рожков И.М., Саакян M.A. Математическое моделирование металлургических процессов. М.: Металлургия, 1976. - 288 с.

67. Уайлд Д. Методы поиска экстремума. М.: Наука, 1967. 267с.