Автоматизированное управление линией дискретно-непрерывного производства с использованием имитационных моделей

Актуальность темы

В настоящее время оборудование промышленного производства характеризуется, во-первых, разной степенью автоматизации, во-вторых, различной степенью специализации и комплексного использования оборудования в зависимости от вида и объёма производства. Интенсификация и концентрация большинства производств на базе комплексной автоматизации технологических процессов связывается сегодня с работой не отдельных машин, а с комплексом машин, внутри которого взаимосвязь и сбалансированность структуры и параметров системы приобретают решающее значение. При этом формирование сложных технологических подсистем, какими являются участки, комплексы и агрегаты оборудования, ведется, как правило, в условиях значительной неопределенности и фактической неосуществимости натурного проверочного эксперимента с целью оптимизации параметров и процессов.

Одним из основных сдерживающих факторов является отсутствие развитого программно-методического обеспечения, позволяющего на основе современных информационных технологий оперативно осуществлять функционально-структурное моделирование и проектирование производственных линий, комплексов и агрегатов, как сложных производственных систем.

Решением проблемы в данном случае является математическое моделирование производственных линий, комплексов и агрегатов на ЭВМ с использованием системных методов анализа и синтеза на основе вероятностных имитационных моделей их реального функционирования.

В развитие теории моделирования технологических процессов внесли существенный вклад зарубежные специалисты: Р. Акофф, Ф. Эмери, Ст. Оптнер (математическое описание дискретных систем), Ст. Бир, Дж. Форре-стер (теория моделирования дискретных систем) и др., а также отечественные специалисты: В. М. Глушков, Л. В. Кантарович (теория моделирования сложных систем), В. Н. Бусленко, Б. Я. Советов, С. А. Яковлев (функционально-структурное моделирование). Для преодоления фактора стохастической неопределенности предлагаются методы адаптивного управления Я. З. Цыпкин, Л. С. Понтрягин, В. А. Якубович, И. Л. Туккель и др.

Кроме того, управляющие воздействия и переменные состояния практически всегда ограничены, но теоретические основы учета этих ограничений в настоящее время разработаны недостаточно.

Таким образом, актуальность темы работы в решении теоретических вопросов состоит в выработке метода моделирования технологических процессов дискретно-непрерывного производства с использованием моделей функционирования технологического оборудования, как единой стохастической системы и синтеза алгоритмического и программного обеспечения, основанного на декомпозиции автоматизированной системы управления технологическим процессом на функциональные подсистемы.

Актуальность темы

в решении прикладных задач подтверждается возможностью использования результатов для достаточно широкого класса промышленных объектов, которым свойственен стохастический механизм функционирования оборудования (пищевая, химическая, строительная промышленность). В качестве примера объекта данного класса рассматривается стеклотарное производство, что подтверждается большим количеством стек-лотарных заводов, требующих оптимизации производственных процессов, модернизации или вновь строящихся.

Объектом исследования является линия дискретно-непрерывного производства.

Предметом исследования являются модели производственного процесса (функционирования технологического оборудования) для поддержки решения задач управления.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности системы управления технологическим процессом дискретно-непрерывного производства на основе использования имитационных моделей функционирования оборудования с учетом адаптации параметров его функционирования, как единой стохастической системы.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

— разработка имитационных моделей технологических процессов дискретно-непрерывного производства с использованием моделей функционирования технологического оборудования (на примере стеклотарного производства), учитывающих системный и вероятностный характер протекания производственных процессов на уровне элементарных технологических операций;

— получение статистических распределений случайных величин параметров функционирования технологического оборудования стеклотарного производства на базе теоретических и экспериментальных исследований для моделирования производственных процессов;

— разработка методики верификации имитационной модели процесса производства стеклотары, использующей динамические и синтетические алгоритмы.

— разработка методики выбора эффективных технических средств автоматизации технологической линии стеклотарного производства на основе установления основных закономерностей функционирования технологического оборудования в составе станочных участков, комплексов и агрегатов;

— практическая апробация разработанных имитационных моделей и результатов моделирования производственных линий на стеклотарном заводе ЗАО «Камышинский стеклотарный завод» с целью настройки технологических параметров автоматизированной системы управления для повышения производительности линии.

Методы исследований. Проведение исследований базируется на теоретических методах имитационного моделирования технологических процессов с использованием системных методов анализа и синтеза.

Достоверность результатов. Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается путем сопоставления результатов моделирования с экспериментальными данными.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в разработке методов и моделей для решения актуальных задач управления технологическим процессом дискретно-непрерывного производства. Основные научные результаты, определяющие новизну исследования, заключаются в следующем:

— предложена математическая модель функционирования оборудования стеклотарного производства, на основе, которой синтезирована имитационная модель технологического процесса дискретно-непрерывного производства;

— полученные впервые статистические распределения случайных величин параметров функционирования технологического оборудования стекло-тарного производства позволяют повысить точность математического описания технологических процессов;

— разработана новая методика верификации имитационной модели процесса производства стеклотары, которая использует динамические и синтетические алгоритмы, что обеспечивает повышение точности реализации имитационной модели;

— разработана методика выбора эффективных технических решений по выбору основных средств автоматизации технологической линии стеклотарного производства на основе установления основных закономерностей функционирования технологического оборудования, которая позволяет повысить надежность и производительность технологических линий стеклотарного производства и соответственно уменьшить себестоимость выпускаемой продукции.

Практическая значимость результатов работы заключается в разработке автоматизированного инструментария на основе имитационных моделей, позволяющих производить оптимизацию параметров функционирования оборудования по критерию производительности, устанавливать пропускную способность отдельных технологических звеньев, плановые нагрузки на производственные линии, комплексы и агрегаты, обосновывать условия достижения и поддержания требуемой интенсивности производства и необходимого для этого парка оборудования. Разработанная методика позволяет автоматизировать процесс выбора эффективной структуры и параметров функционирования оборудования технологических линий, позволяющей повысить производительность технологической линии стеклотарного производства на 10−15%, а надежность работы оборудования на 20%.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Имитационные модели технологических процессов дискретно-непрерывного производства с использованием моделей функционирования технологического оборудования (на примере стеклотарного производства) позволяют учесть системный и вероятностный характер протекания производственных процессов на уровне элементарных технологических операций, что дает возможность уменьшить вычислительную сложность полученных алгоритмов и сократить время проектирования (модернизацию) производственных линий стеклотарного производства.

2. Статистические распределения случайных величин параметров функционирования технологического оборудования стеклотарного производства, являющиеся базой при моделировании производственных процессов, позволяют повысить точность математического описания технологических процессов стеклотарного производства, что дает возможность учесть вероятностный характер функционирования оборудования.

3. Методика верификации имитационной модели процесса производства стеклотары использует динамические и синтетические алгоритмы, что обеспечивает повышение точности реализации имитационной модели.

4. Методика обоснования эффективных технических решений по выбору основных средств автоматизации технологической линии стеклотарного производства на основе установления основных закономерностей функционирования технологического оборудования дает возможность улучшить управление и повысить надежность и производительность технологических линий стеклотарного производства и соответственно уменьшить себестоимость выпускаемой продукции.

Реализация результатов исследования. Результаты исследования диссертационной работы нашли применение на ЗАО «Камышинский стекло-тарный завод» при организации и управлении технологическим процессом.

Имитационная модель, а также методика верификации модели и выбора эффективных технических средств автоматизации используются в Камышин-ском технологическом институте (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» при подготовке студентов по направлению 230 100 «Информатика и вычислительная техника», специальности 230 103 «Автоматизированные системы обработки информации и управления».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на III Всероссийская конференция «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2005) — IV Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2006) — 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Управление инновациями: теория, инструменты, кадры» (Санкт-Петербург 2009) — VI Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2009).

Публикации. В ходе работы над диссертацией была опубликована 1 монография и 11 статей, из них 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, в которых полностью отражены полученные результаты.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Материал изложен на 162 страницах основного текста, содержит 35 рисунков, 15 таблиц и 2 приложения.

Список литературы

включает 86 наименований.

5. Результаты исследования диссертационной работы нашли применение и показали положительный опыт использования на стеклотарном заводе ЗАО «Камышинский стеклотарный завод».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является законченным исследованием на актуальную тему, содержащим ряд новых научных результатов в области управления технологическими процессами в интегрированных комплексах стеклотарного производства. Основные задачи, сформулированные и решенные в работе, имеют большое значение для обеспечения устойчивого роста предприятий стеклотарного производства.

В соответствии с поставленными задачами в рамках проведенных исследований и разработок получены следующие основные результаты:

1. Получены впервые статистические распределения случайных величин параметров функционирования технологического оборудования непрерывно-дискретного производства стеклотарного производства, позволяют повысить точность математического описания технологических процессов стеклотарного производства;

2. Разработаны имитационные модели технологических процессов дискретно-непрерывного производства с использованием моделей функционирования технологического оборудования (на примере стеклотарного производства), позволяющие учесть системный и вероятностный характер протекания производственных процессов на уровне элементарных технологических операций, и сократить время проектирования (модернизацию) производственных линий стеклотарного производства;

3. Разработана новая методика верификации имитационной модели процесса производства стеклотары, которая использует динамические и синтетические алгоритмы, что обеспечивает повышение точности реализации имитационной модели;

4. Разработана методика обоснования эффективных технических решений по выбору основных средств автоматизации технологической линии стеклотарного производства на основе установления основных закономерностей функционирования технологического оборудования, позволяющая повысить надежность и производительность технологических линий стеклотарного производства и соответственно уменьшить себестоимость выпускаемой продукции.