Автоматизована система управління технологічним процесом приготування пралінових мас на основі експертних оцінок

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 681.518.52:004.891

Автоматизована система управління

технологічним процесом приготування

пралінових мас на основі експертних оцінок

05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тарасюк Вікторія Павлівна

Донецьк - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Чичикало Ніна Іванівна, професор кафедри “Електронна техніка” Донецького національного технічного університету МОН України, м. Донецьк

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ткаченко Валерій Миколайович, завідувач відділом “Теорія управляючих систем” інституту прикладної математики і механіки НАН України, м. Донецьк

кандидат технічних наук, доцент Зубов Дмитро Анатолійович, доцент кафедри “Комп'ютеризовані системи” Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля МОН України, м. Луганськ

Провідна установа: Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" (кафедра системного аналізу і управління) МОН України, м. Харків.

Захист відбудеться "_8_" _червня_ 2005 р. 0 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.03 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 8, ауд.705.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 2.

Автореферат розісланий "05" травня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради К11.052.03

кандидат технічних наук, доцент Г.В. Мокрий



АНОТАЦІЯ

Тарасюк В.П. Автоматизована система управління технологічним процесом приготування пралінових мас на основі експертних оцінок. - Рукопис. якість праліновий автоматизований управління

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - “Автоматизація технологічних процесів”. - Донецький національний технічний університет, м.Донецьк, 2005 р.

У дисертаційній роботі дано нове рішення актуальної задачі підвищення продуктивності технологічного процесу приготування пралінових мас за рахунок створення автоматизованої системи управління на основі експертних оцінок, яка забезпечує отримання продукції заданої якості, узгоджену роботу обладнання і поліпшення планування виробництва в цілому. Дана система є трирівневою і побудована із застосуванням методів опису дискретно - безперервних технологічних процесів, теорії розкладів, лінійного і динамічного програмування. Для вирішення поставленої задачі вдосконалена структура автоматизованої системи управління технологічним процесом приготування пралінових мас, за рахунок включення в контур управління експертних оцінок, а саме за рахунок об'єднання всіх функцій обробки інформації і управління в єдиній системі, що охоплює всі етапи від аналізу попиту на продукцію до управління окремими технологічними операціями. Запропоновані нові автоматизовані модулі, алгоритми та методики базуються на аналізі виробничих і критичних ситуацій процесу приготування пралінових мас на основі математичних моделей, що характеризують стан технологічного процесу та одержані шляхом обробки результатів пасивного експерименту з урахуванням технологічних обмежень на підставі формалізованих знань і досвіду експертів для отримання кондитерської продукції високої якості.

Ключові слова: технологічний процес приготування пралінових мас, експертна оцінка, математична модель, оптимальний розклад, пасивний експеримент, критерій оптимізації, автоматизована система.



АННОТАЦИЯ

Тарасюк В.П. Автоматизированная система управления технологическим процессом приготовления пралиновых масс на основе экспертных оценок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - “Автоматизация технологических процессов”. - Донецкий национальный технический университет, г.Донецк, 2005 г.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи повышения производительности технологического процесса приготовления пралиновых масс за счет создания автоматизированной системы управления на основе экспертных оценок, обеспечивающей получение продукции заданного качества, согласованную работу оборудования и улучшение планирования производства в целом.. Данная система является трехуровневой и построена с применением методов описания дискретно - непрерывных технологических процессов, теории расписаний, линейного и динамического программирования. Для решения поставленной задачи усовершенствована структура автоматизированной системы управления технологическим процессом приготовления пралиновых масс, за счет включения в контур управления экспертных оценок, а именно за счет объединения всех функций обработки информации и управления в единой системе, охватывающей все этапы от анализа спроса на продукцию до управления отдельными технологическими операциями. В отличие от известных предложена математическая модель формирования плана выпуска продукции, учитывающая влияние спроса потребителя на объемы произведенной продукции и построенная с учетом экспертной оценки анализа спроса на продукцию для достижения оптимальных значений комплексного показателя качества пралиновых конфет. Модель представлена в виде автоматизированного модуля, включающего алгоритм, построенный на основании аппарата динамического программирования и методику формирования рабочих рецептур, функционирующую на основе базы знаний допустимых замен сырья. Разработана структура автоматизированного модуля построения оптимального расписания управления оборудованием, который вносит коррективы в стандартное расписание на основании экспертных оценок технологического регламента, и включает модуль приобретения знаний, механизм логических выводов, блок принятия решений. Установлено, что целесообразно использовать статическую и динамическую модель знаний с алгоритмом функционирования, базирующимся на алгоритмах с вероятностным правилом назначения приоритетов. Предложен новый алгоритм принятия решений по выбору вида управляющего воздействия при управлении технологическим процессом приготовления пралиновых масс, базирующийся на анализе производственных и критических ситуаций процесса дозирования в рецептурных станциях на основе математических моделей, характеризующих состояние технологического процесса, полученных путем обработки результатов пассивного эксперимента с учетом технологических ограничений на основании формализованных знаний и опыта экспертов для получения кондитерской продукции высокого качества.

Значение работы заключается в разработке:

1. Автоматизированной системы управления технологическим процессом приготовления пралиновых масс, функционирующей на основе экспертных оценок. Система разработана с использованием современных информационных технологий и программно-технических средств и позволяет повысить производительность кондитерской линии, снизить простои оборудования, обеспечить заданное качество приготовляемых кондитерских изделий.

2. Математической модели формирования плана выпуска продукции, а именно: объемов и ассортимента производства, реализованной в виде автоматизированного модуля, включающего алгоритм, построенный на основании аппарата динамического программирования и методику формирования рабочих рецептур, функционирующую на основе базы знаний допустимых замен исходного сырья.

3. Автоматизированного модуля диспетчеризации работы технологического оборудования, функционирующего на основе экспертных оценок для получения расписания, минимизирующего простой оборудования, время пролеживания полуфабриката, повышающего производительность технологического процесса.

4. Алгоритма идентификации информационных параметров управления технологическим процессом приготовления пралиновых масс, позволяющего получать математическую модель качества приготовляемого продукта на основе данных пассивного эксперимента.

Результаты моделирования и внедрения показали, что эффективность - это улучшение плана задания на выпуск продукции в 5 раз (по отношению к остаткам нереализованной продукции); сокращение времени простоя оборудования в 2,7 - 7,5 раза; сокращение рабочего персонала в два раза. Соответственно и производительность увеличилась в 1,1-1,13 раза. Этого удалось достичь за счет стабилизации хода технологического процесса посредством использования автоматизированной системы управления на основе экспертных оценок.

Ключевые слова: технологический процесс приготовления пралиновых масс, экспертная оценка, математическая модель, оптимальное расписание, пассивный эксперимент, критерий оптимизации, автоматизированная система.



ANNOTATION

Tarasyuk V.P. Automated technological process control system of preparation of praline masses on the basis of expert estimations.- Manuscript.

The dissertation on competition of graduate degree of engineering sciences candidate on speciality 05.13.07 is “Automation of technological processes”. Donetsk national technical university, Donetsk, 2005.

In dissertation work a new decision of actual task of productivity increase of preparation technological process of the praline masses is given with the automated control system creation on the basis of expert estimations, providing the set quality products, concerted equipment work and production planning improvement on the whole. This system has three levels, built with the using of description discretely - continuous methods of technological processes, curriculum theory, dynamic and linear programming. For the decision of the set problem the structure of the automated technological process of preparation control system of the praline masses is improved, including in the contour of the expert estimations management, namely due to association of all functions of informational treatment and management in the single system, which involves all stages beginning with the products demand analysis to the management of separate technological operations. A new method and models based on the production analysis and critical technological process control of the praline masses preparation is stations on the mathematical models basis, which characterize the technological process state, got by treatment of passive experiment results taking into account technological limitations of formalization knowledges and experts experience for the receipt of high quality pastry products.

Keywords: technological process of the praline masses preparation, expert estimation, mathematical model, optimum curriculum, passive experiment, optimization criterion, automated system.



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В даний час кондитерське виробництво є однією з перспективних галузей, що визначають економічний розвиток Донецького регіону. Це пояснюється тим, що кондитерські вироби є висококалорійним, енергетично цінним харчовим продуктом, який користується високим попитом у населення. Конкуренція на ринку кондитерської продукції пред'являє високі вимоги до об'єктивного аналізу і експертної оцінки вибору асортименту і якості продукції, що випускається.

На кондитерському підприємстві може одночасно зберігатися, готуватися до обробки і виготовлятися більше 100 найменувань кондитерських виробів, на декількох технологічних лініях, які відрізняються по конструкції і цільовому призначенню. Підвищення ефективності виробництва можливе за рахунок підвищення продуктивності технологічних процесів, поліпшення якості продукції, що випускається, зниження об'єму незавершеного виробництва і страхових запасів за рахунок локалізації і синхронізації регламентованого випуску товару. Це забезпечується за рахунок вдосконалення автоматизованих систем управління технологічними процесами (АСУ ТП), тому що дозволяє перевести виробничий процес на якісно новий ступінь розвитку, який характеризується вищим у порівнянні з попереднім, ступенем організації автоматизованого управління.

Конкурентоспроможність кондитерської продукції у великій мірі залежить від рівня автоматизації технологічних процесів (ТП), що враховує традиції і накопичений досвід фахівців кондитерів, які розробляють рецептуру. АСУ ТП повинна бути реалізована на основі відповідних методів адаптації з інтелектуальним наповненням знаннями і може називатися системою управління на основі експертних оцінок.

Питанням розробки автоматизованих систем управління кондитерськими технологічними процесами присвячений ряд наукових робіт і публікацій. Суттєвий внесок в теоретичне і практичне дослідження в цій галузі внесли вчені і фахівці: Чичикало Н.І., Кожанов Ю.Г., Карпін Є.Б., Благовещенська М.М., Воронін В.О., Драгильов А.І., Лурьє І.С., Трішин Ф.А, Штангєєва Н.І. та інші. Разом з тим, в цих роботах недостатньо розглянуті можливості інтелектуалізації управління і дослідження ТП, а також можливості гнучкого взаємозв'язку паралельних технологічних процесів в комплексі загального управління випуском продукції з урахуванням формалізованих знань експертів-кондитерів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрям дисертаційних досліджень пов'язаний із загальним напрямом наукової роботи НДЧ кафедри “Електронна техніка” ДонНТУ, а також є складовою частиною госпдоговірної НДР № 92-292 “Розробити і впровадити автоматизовану установку для дозування і перемішування компонентів пралінових і цукеркових мас”, виконаної відповідно до договору №14 між ДонДТУ і ЗАТ Укркондитер (№ ГР У А01001217Р). Участь автора при виконанні НДР полягала в розробці автоматизованої системи управління, розробці математичних моделей, планів і методик досліджень, підготовці і проведенні експериментів, оформленні документації.

Метою роботи є підвищення продуктивності технологічного процесу приготування пралінових мас за рахунок створення автоматизованої системи управління на основі експертних оцінок, яка забезпечує отримання продукції заданої якості, узгоджену роботу обладнання і поліпшення планування виробництва в цілому.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі:

- розробити структуру автоматизованої системи управління технологічним процесом приготування пралінових мас на основі експертних оцінок;

- узагальнити і використати спеціальні знання інженера- технолога кондитерського виробництва для побудови бази знань і методик автоматизованого управління продуктивністю технологічного процесу і проектуванням робочих рецептур;

- розробити алгоритм побудови оптимального розкладу взаємодії окремих операцій технологічних процесів для забезпечення оптимального завантаження обладнання, скорочення простоїв, підвищення продуктивності;

- провести аналіз технологічного процесу виробництва пралінових мас, виявити параметри якості пралінової суміші, розробити математичні моделі їх взаємовпливу; розробити базу знань прийняття рішень, яка дозволить забезпечити отримання продукції заданої якості в критичних ситуаціях;

- створити комплекс інформаційного, програмного, технічного забезпечення для реалізації розроблених алгоритмів і методик.

Об'єктом досліджень є технологічний процес приготування пралінових мас.

Предметом дослідження є автоматизована система управління технологічним процесом приготування пралінових мас на основі експертних оцінок.

Методи досліджень. При описі об'єкту і в ході аналізу предметної області дослідження використані методи опису дискретно - безперервних технологічних процесів, теорії розкладів, лінійного і динамічного програмування. Автоматизація експертних оцінок ґрунтувалася на продукційній системі представлення знань. Побудова програмних модулів виконана з використанням об'єктно-орієнтованого програмування.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Удосконалено структуру автоматизованої системи управління технологічним процесом приготування пралінових мас за рахунок включення в контур управління експертних оцінок, що дозволило об'єднати в єдиній системі всі етапи від аналізу попиту на продукцію до управління окремими технологічними операціями.

2. Одержала подальший розвиток математична модель формування плану випуску продукції, яка відрізняється тим, що враховує експертну оцінку впливу попиту споживача на об'єми виробленої продукції і дозволяє забезпечити досягнення оптимального значення комплексного показника якості пралінових цукерок.

3. Уперше розроблено структуру автоматизованого модуля побудови оптимального розкладу управлінням технологічним обладнанням, який вносить корективи в стандартний розклад на підставі експертних оцінок технологічного регламенту, і дозволяє забезпечити скорочення простоїв обладнання і підвищити продуктивність кондитерського виробництва.

4. Уперше на підставі процедури планування експерименту одержано математичні моделі, що характеризують якість пралінових мас, і розроблено алгоритм прийняття рішень по вибору управляючої дії, який дозволяє характеризувати стан технологічного процесу з урахуванням експертної оцінки для отримання кондитерської продукції високої якості.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Створена автоматизована система управління технологічним процесом приготування пралінових мас, яка функціонує на основі експертних оцінок. Система розроблена з використанням сучасних інформаційних технологій і програмно-технічних засобів і дозволяє підвищити продуктивність технологічного процесу, зменшити простої обладнання, забезпечити задану якість кондитерських виробів, що готуються.

2. Запропонований автоматизований модуль формування плану завдання на випуск кондитерської продукції, який реалізований на основі динамічного програмування. Він дозволяє регламентувати асортимент продукції для підвищення конкурентоспроможності підприємства на основі експертної оцінки попиту споживача і формувати нові рецептури на основі бази знань допустимих замін початкової сировини.

3. Застосування автоматизованого модуля для диспетчеризації роботи технологічного обладнання з урахуванням експертних оцінок дозволяє одержувати розклади, що мінімізують час пролежування напівфабрикату та підвищують продуктивність кондитерських ліній.

4. Запропонований алгоритм ідентифікації і методика обліку інформаційних параметрів технологічного процесу приготування пралінових мас, дозволяють одержувати математичну модель якості продукту, що готується, на основі даних експерименту.

5. Розроблені методики управління, безперервного супроводу і аналізу процесів дозування і змішування в рецептурних станціях приготування високооднорідних мас можуть бути широко використані в рецептурних станціях та інших ТП.

Розроблені в дисертаційній роботі алгоритми, моделі і методики, результати досліджень і автоматизована система управління використані на Черкаській бісквітній фабриці, АТ “Кондитерська фабрика “А.В.К.” в м. Донецьку, в навчальному процесі і НДР кафедри “Електронна техніка” ДонНТУ.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблені: моделі експертної оцінки автоматизованої системи управління технологічним процесом приготування пралінових мас, структурні схеми, алгоритми і методики управління, структури баз даних і знань.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і прикладні результати роботи повідомлялися, обговорювалися і були схвалені на наступних конференціях і семінарах в містах: Донецьку (“Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов, 1997), Кам'янець - Подільську (III мiжнародна науково - практична конференцiя “Сучаснi iнформацiйнi та енергозберiгаючi технологii життєзабезпечення людини”, 1998), Севастополі (IV - международная конференция “Современные информационные и энергосберегающие технологии жизнеобеспечения человека”, 1998), Черкасах (Друга Всеукраїнська конференція молодих науковців “Інформаційні технології в науці та світі”, 2000), Вінниці (Шоста міжнародна науково-технічна конференція “Контроль і управління в складних системах”, 2001), Таганрозі (VI Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов “Техническая кибернетика и системы управления”, 2002), Донецьку (Международная конференция по управлению “Автоматика -2002”, ДонНТУ, 2002), Таганрозі (4-я Всероссийская научная конференция “Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления”, 2003), Донецьку (ІІ научно- практическая конференция “Донбасс - 2020: наука и техника - производству”, ДонНТУ, 2004).

Дисертація розглянута і в цілому схвалена на розширеному засіданні кафедр факультету “Комп'ютерних інформаційних технологій і автоматики” ДонНТУ.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 20 наукових роботах, з них 14 одноосібних, зокрема в 11 провідних научно- технічних збірниках, затверджених ВАК України і в 9 доповідях на конференціях.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновку, викладених на 151 сторінках машинописного тексту, який ілюстрований 24 рисунками. Робота містить 15 таблиць, список літературних джерел із 142 найменувань і 7 додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульована мета, перераховані основні наукові положення і практичне значення, що виносяться на захист.

У першому розділі - “Сучасний стан автоматизованих систем управління кондитерськими технологічними процесами” розглянута технологічна схема приготування пралінових цукерок, як складна взаємозв'язана структура, і її особливості, викладена характеристика технологічного процесу приготування пралінових мас як об'єкту управління і виявлені показники якості готової продукції; виконаний аналіз існуючої системи випуску різнорідної продукції кондитерським підприємством на однотипному технологічному обладнанні і виявлені рівні експертної оцінки для отримання продукції вищої якості і регламентації оптимального асортименту; виконаний аналіз існуючих автоматизованих систем управління, що базуються на експертних оцінках на предмет їх використання для даного об'єкту; обґрунтований прийнятий напрямок розробок, мета і задачі досліджень.

Аналіз випуску продукції кондитерським підприємством показав, що загальна задача управління визначається за допомогою трьох страт і із загальносистемної точки зору включає три основні функції: формування плану завдань на випуск продукції; координацію однотипних технологічних операцій; управління технологічними процесами.

Базовим технологічним процесом був вибраний технологічний процес приготування пралінової суміші, як основної частини виробництва пралінових цукерок. Праліне є тонко подрібненою кондитерською масою, до складу якої входять: жир, горіхи, цукрова пудра і добавки. Аналіз технології і техніки виробництва на кондитерських підприємствах показав, що приготування пралінових цукерок здійснюється по технологічній схемі, яка представлена на рис.1. Порівняльний аналіз технологічних параметрів пралінової маси на різних стадіях показав, що одним з шляхів рішення проблеми отримання пралінової маси заданої якості є забезпечення якості розподілу компонентів при отриманні попередньої рецептурної суміші, її кінцевої температури і кількості в ній суміші жирів. У зв'язку з цим було визначено, що удосконалення структури автоматизованої системи управління технологічним процесом приготування пралінових мас можливо за рахунок включення в контур управління експертних оцінок, а саме за рахунок об'єднання всіх функцій обробки інформації і управління в єдиній системі, що охоплює всі етапи від аналізу попиту на продукцію до управління окремими операціями технологічного процесу, з урахуванням автоматизації експертних оцінок, що використовуються на кожному рівні управління.

Вказані обставини характеризують актуальність питання і є обґрунтуванням теми дисертаційної роботи. Проведений аналіз дозволив визначити напрямок розробок і сформулювати мету і задачі досліджень.

У другому розділі - “Розробка структури автоматизованої системи управління кондитерськими технологічними процесами на основі експертних оцінок” виконаний аналіз показників ефективності функціонування кондитерського підприємства; розроблена вдосконалена схема автоматизованої системи управління технологічним процесом приготування пралінових мас; запропонований алгоритм формування плану завдання на випуск продукції, який реалізований на основі динамічного програмування; вирішена задача автоматизованого проектування робочих рецептур.

В результаті аналізу показників ефективності функціонування кондитерського підприємства було визначено, що прибуток кондитерського підприємства по всіх видах продукції, що випускається, визначається, як

(1)

де - ціна k- го виду продукції; - індекс якості k- го виду продукції; - об'єм випуску k- го виду продукції. Максимальний ефект досягається при максимізації функції корисності Д, за рахунок координації випуску продукції k-го виду за період Т, регламентації асортименту товарів, що випускаються, а також підвищення якості продукції, що випускається.

При випуску продукції декількох типів S, для кожного j-го визначається комплексний показник якості продукції - К_0j, що обчислюється методом середнього зваженого зокрема по формулі

, (2)



де: Ki _j - показник i-тої властивості оцінюваної продукції j-го типу;

_i - коефіцієнт вагомості показника Ki.

З формули (2) видно, що К_0j характеризує m різних властивостей продукції. Він, як і всі комплексні показники, які обчислюються методами середнього зваженого, є умовною величиною, яка виражається в умовних одиницях обчислення. Крім того, для кожного з S різних видів продукції в даному періоді визначають також відповідні базові значення показників К_iб, і обчислюють коефіцієнт вагомості продукції по формулі , де Si-вартість продукції i-го виду в даний період. Індекс якості продукції за цей період обчислюють по формулі . Ці коефіцієнти і показники є комплексними і визначаючими при винесенні експертної оцінки рентабельності виробництва і при плануванні об'єму i- го виду продукції. У роботі була запропонована структурна схема багаторівневої організаційної системи управління (рис.2), яка забезпечує досягнення максимального індексу якості, шляхом включення автоматизованої експертної оцінки на кожному рівні. Основними модулями тут є: автоматизований модуль (АМ) формування плану завдання випуску продукції, автоматизований диспетчер, що формує розклад завантаження обладнання на підставі даних з аналізатора про хід ТП і відповідно до завдання на випуск готової продукції кожного типу; АМ управління технологічними процесами, що відпрацьовують завдання на випуск готової продукції за розкладом, який побудований за допомогою експертних оцінок.

У загальному випадку задача формування плану завдання на випуск продукції для кожного ТП з урахуванням пристосування до ринку збуту є задачею лінійного програмування. Проте, існуюча модель містить спрощуючі передумови. Тому була запропонована математична модель, що враховує вплив попиту споживача на об'єми виробленої продукції і описує окремі сторони функціонування кондитерських технологічних процесів, а саме об'єми продукції, що випускається, залежно від ресурсів, використовуваних на виробництво одиниці продукту і попиту на неї споживача. Модель побудована з урахуванням експертної оцінки і представлена у вигляді алгоритму з використанням апарату динамічного програмування.

є система кондитерського виробництва, яка планує свою роботу на п періодів. Її діяльність зводиться до забезпечення попиту споживачів на деяку продукцію L, для чого вона здійснює виробництво даного продукту. Попит споживачів в даній моделі розглядається як деяка інтегрована величина, що приймає задані значення для кожного з періодів, і він повинен задовольнятися. При цьому стоїть задача управління об'єктом, який може перебувати в різних станах. Поточний стан об'єкту ототожнюється з деяким набором параметрів, що позначається надалі вектором стану . Передбачаємо, що задана безліч всіх можливих станів. Для об'єкту визначено також безліч управляючих дій X, які можуть здійснюватися в дискретні моменти часу, причому рішення управління полягає у виборі одного з управлінь x_k X .

Введені позначення: y_k -- залишок запасу продукції L після (k - 1) -го періоду; d_k -- наперед відомий сумарний попит в k-му періоді; Q_k -- об'єм виробництва продукції L в k-му періоді; z_k(Q_k) -- витрати на виконання продукції L об'єму Q_k в k-му періоді; s_k(_k) -- витрати на зберігання запасу об'єму _к в k-му періоді (збитки від нерентабельності виробництва).

Після виробництва і задоволення попиту об'єм товару, що підлягає зберіганню в період к, складе

.

Враховуючи значення параметра y_k, можна записати співвідношення: . Витрати на виробництво і зберігання товару в період k описуються функцією . В результаті формується вектор Q=(Q₁, Q₂, ..., Q_п), компонентами якого є послідовні завдання на випуск продукції. Співвідношення між запасами в поєднанні з початковою умовою пов'язує стани системи з вибраним планом і дозволяє виразити сумарні витрати за всі п періодів функціонування системи керування кондитерським виробництвом у формі адитивної цільової функції.

В рамках сформульованої моделі ставилася задача знаходження послідовності оптимальних управлінь (об'ємів) і зв'язаних з ними оптимальних станів (запасів), які перетворюють в мінімум (3). Як початкова умова використовувалася вимога про збереження після завершення управління заданої кількості виду виробу у_п+1, а саме .

При рішенні поставленої задачі методом динамічного програмування як функція стану системи керування був узятий мінімальний об'єм витрат, що виникає за перші k періодів за умови, що в k -му періоді є запас

Система рекурентних співвідношень (4)-(5) дозволила знайти послідовність функцій стану,,…, і умовних оптимальних управлінь . На кроці n за допомогою початкової умови можна визначити . Решта значень оптимальних управлінь визначається по формулі .

На підставі цієї моделі був розроблений автоматизований модуль формування плану завдання на випуск кондитерської продукції, який функціонує на принципах експертної оцінки господарської діяльності і формує вектор управляючих дій на продуктивність технологічних процесів, а також формує “портфель замовлень” початкової сировини на основі інформації про ціни на сировину, що поставляється. Продукція, що випускається на кожній кондитерській лінії характеризується своєю рецептурою, що включає сировину, яка поставляється спеціальними організаціями. Ціни на сировину варіюються, залежно від сезонності і попиту.

Експертна оцінка цінової політики постачальників в сукупності з оцінкою попиту на продукцію утворює блок експертної оцінки господарської діяльності, який включає також модуль формування робочих рецептур. Критерієм функціонування останнього є досягнення мінімальних витрат на виробництво кондитерських виробів. Методика формування робочої рецептури базується на стаціонарній базі знань можливих замін і матриці процентної відповідності компонентів, яка побудована на основі класифікатора композиційних класів. Крім того, сюди входить оцінка постачальників початкової сировини, а саме рентабельність поставок. Методика полягає в наступному:

1. Для заданої маси готової продукції М визначається, який з компонентів відсутній на складі. Для цього визначається число Km= М/100.

2. По базі знань можливих замін визначається класифікаційний розділ Крj, до якого відноситься даний компонент. Потім вибираються переходи можливих замін. Всі можливі m-1 переходи кодуються по номеру поля, де знаходиться компонент, на який можлива заміна. Перелік можливих замін будується в пріоритетний ланцюжок. Пріоритет віддається тим переходам, коефіцієнт відповідності яких максимально наближений до 100%.

3. Пошук коефіцієнта відповідності здійснюється таким чином: визначають значення N1- номера поля замінюваного компоненту, N2 - номери поля компоненту, на який планується заміна. За кодом підгрупи Крj по класифікатору композиційних класів визначається порядковий номер Nj класу. Потім проводять вибір необхідної матриці процентної відповідності . По матриці процентної відповідності визначають коефіцієнт перерахунку Кпер.

4. Послідовно перевіряється наявність на складі початкової сировини пріоритетних компонентів і аналіз можливих поставок. Перевага віддається тій заміні, початкова сировина, якої повністю є в наявності, або має мінімальну ціну поставки.

Додатково в модуль була закладена оцінка якості продукту, що враховує процентний вміст жиру в готовій суміші. моделювання формування плану замовлення на випуск продукції на основі алгоритму, який представлений вище показало значне зниження залишків готової продукції і, відповідно, підвищення рентабельності виробництва.

У третьому розділі - “Розробка автоматизованого модуля побудови оптимального розкладу управління обладнанням на основі експертних оцінок” розглянуті деякі технологічні процеси кондитерського виробництва, і конкретно технологічний процес приготування пралінових мас з точки зору планування завантаження обладнання. Кожен ТП приготування кондитерських виробів є багатостадійною системою з послідовно-паралельним видом руху матеріального потоку. є кінцева множина N = {1, 2, …,n} видів готової продукції і кінцева множина = {1, 2, …, M} технологічного обладнання (апаратів, вузлів). Процес отримання виду продукції iN включає r_i операцій. При цьому кожному виробу iN та на кожній операції (1 q r_i) його обслуговування зіставляється деяка безліч технологічного обладнання .

Технологічне обладнання, вузли апарати, які використовуються в ТП, зв'язані безперервним матеріальним потоком, який обумовлює перенастроювання кожного апарату робіт згідно технічному регламенту з початком та кінцем ( і ) внутрішніх операцій. Тому для узгодження технологічних операцій для робіт К, з урахуванням технології приготування, їх необхідно синхронізувати так, щоб погоджувати початок по наступній операції і кінець попередньої без простою обладнання. Причому синхронізувати роботу технологічних процесів так, щоб найбільш оптимально завантажити обладнання, мінімізувати число виробничих змін, скоротити число переналагоджень .

Для вирішення задачі був детально проаналізований ТП приготування пралінових мас, виявлені ключові операції і побудовані діаграми Гантта для різних часткових виробничих процесів (ЧВП). Потім була розроблена математична модель тривалостей ЧВП, особливої увага надано операціям 0-7, обмежуючим етап приготування попередньої суміші. Було розроблене правило обліку часу накладення, для подальшої алгоритмізації:



Тц₂ = Тц - , (6)

де Тц₂ - тривалість при паралельно-послідовному виді руху; H _i,i+1 - час накладення i-ї та (i+1)-ї операцій.

Було визначено, що особливої уваги необхідно приділити складанню часткових розкладів на одному апараті, оскільки ТП характеризуються строгою впорядкованістю робіт і момент завершення однієї операції строго передує початку другої. Була розроблена структурна схема синхронізації однотипних виробничих циклів і поставлена цільова функція управління: мінімізація сумарного часу завершення робіт. Допоміжними критеріями були виділені: коефіцієнт використовування обладнання, тривалість проходження роботи і об'єм роботи, яка виконується в системі. Було визначено, що один з підходів до складання ефективного розкладу -- це побудува інтелектуального планувальника процесу, що працює у реальному часі та використовує техніку штучного інтелекту, об'єднану з диспетчеризацією та складанням послідовності робіт, евристиками і імітаційним моделюванням. Вхід для конструювання бази знань разом з безліччю чинників, що впливають на планування, розчленований на два широкі класи обмежень. Перша категорія містить обмеження календарного планування, які служать як межа для безлічі допустимих виборів. Друга категорія, переваги, при складанні розкладів надає засоби диференціації між допустимими варіантами зі всієї безлічі виборів. Для даного виробництва ці обмеження можна визначити, як: організаційні, тобто спізнення робіт, запаси незавершеного виробництва, збої в роботі технологічного обладнання, час настройки обладнання під ТП; обмеження передування, що описують основні, часові або причинні відносини, що визначають необхідні умови для використовування напівфабрикату або початку процесу (підтримка необхідної температури, заборонене технологією очікування напівфабрикату і т.д.).

Для планування оптимального розкладу складається: база глобального знання, що містить статичну інформацію, а саме дані про рецептури продукції, що випускається, інформацію про технологічний процес, характеристики технологічного обладнання, інформацію про структуру початкової сировини, а також матрицю обмежень формування послідовностей; динамічна база знань, яка формується в процесі включення нових технологічних процесів в поточний цикл отримання готової продукції в режимі реального часу з урахуванням збурюючих чинників, що поступають ззовні. Остання формується на основі статичної, залежно від числа одночасних технологічних процесів і характеристики “зовнішнього світу” у поточний момент. Для опису даної області знань якнайкращим варіантом виявився продукційний метод представлення знань з прямим способом формування висновку.

Опис побудови правил динамічної бази знань приведений в позначеннях програмного модуля, що реалізовує систему пошуку оптимального рішення. Нижче приведені деякі приклади формування динамічних правил. У правилах позначено: - заданий пріоритет i-го ТП; - робочий пріоритет i-го ТП; - максимальний робочий пріоритет; .

Деякі правила в конкретній ситуації можуть опинитися рівноправними, тому як ваги вибору використовуються експертні оцінки - коефіцієнт упевненості (КУ). Вони застосовуються при навчанні системи як для всього ядра продукції так і при ідентифікації фактів і ситуацій. Логічні комбінації посилок в одному правилі оцінюються так: № правила: ЯКЩО А_i і A_j ТО B_k. КУ (А_i і A_j)= min(КУ(А_i), КУ(A_j)) . Експерти оцінюють деяку гіпотезу (Г) (правило), проставляючи оцінки (КУ) цієї гіпотези при навчанні системи, у разі додавання нових видів виробів. Кожен експерт формує пару (Г, КУ). При цьому була введена вага ступеня компетентності n - експертів, ₂, ₃, ... _n, і результуючий КУ для Г визначається як .Принцип функціонування системи полягає в наступному. Використовується множина з G операцій, причому на кожному кроці вибирається одна з них і їй приписується момент початку виконання. У кожен момент часу є безліч чекаючих операцій, що позначається через {Sso}, тобто підмножина тих операцій з G, для яких передуючі вже включені в розклад; тобто, деяка операція входить в {Sso}, якщо вже вибрані моменти початку виконання всіх попередніх їй операцій даної роботи.

Після вибору і включення в розклад однієї з цих операцій її місце займає друга операція тієї ж роботи (якщо вона є). Всякий раз, коли остання операція якої-небудь роботи включена в розклад і її нічим замінити в {Sso}, число елементів цієї множини зменшується на одиницю. Складання розкладу закінчується, коли множина {Sso} стає порожньою. Система пріоритетів розроблена достатньо повною, щоб дві “конкуруючі” операції завжди мали різні пріоритети і був би можливий однозначний вибір. У разі рівноімовірних пріоритетів рішення ухвалюється на основі максимального КУ.

Таким чином, запропонований АМ побудови оптимального розкладу базується на алгоритмах з правилом вірогідності призначення пріоритетів. Моделювання роботи АМ показане у вигляді діаграми Гантта.

У четвертому розділі - “Розробка алгоритму прийняття рішень по вибору виду управляючої дії при управлінні технологічним процесом приготування пралінових мас на основі експертних оцінок” в результаті аналізу параметрів якості пралінової суміші була розроблена математична модель формування початкового опису, визначені керовані однозначні чинники, що впливають на якість суміші, що готується. Запропоновано алгоритм самоорганізації моделей видів пралінової маси, коли модель коректується при невеликій зміні початкових даних. Критерієм адекватності вибраний критерій середньоквадратичного відхилення моделі.

Був проведений аналіз характеристик якості пралінової маси. Визначено, що пралінові маси, є в'язкопластичними структурованими дисперсними системами з характерною аномалією в'язкості. Аналізуючи даний технологічний процес, видно, що якість готового продукту характеризується наступним набором параметрів

Z = f(, ₁, , Т, ), (8)

де - в'язкість готової суміші, Па^.с; ₁ - вологість пралінової суміші, %; - дисперсність пралінової суміші; Т- температура суміші, С; - жирність суміші, % .

реологічні характеристики ПМ залежать від вмісту жиру, температури маси, вологість, впливу механічних дій, тобто для отримання продукції заданої якості необхідно враховувати: - процентний вміст жиру; - швидкість перемішування, с-1; t - тривалість одного циклу приготування пралінової суміші, Т - температуру суміші; К - оптимальний склад однорідної пралінової суміші.

Якщо прийняти, що значення мас компонентів, визначені в режимі реального часу будуть відповідати заданій точності, то якість отримання високооднорідної суміші К буде визначатися точністю дозування маси доз кожного компоненту. Задачу отримання однорідної суміші можна представити у вигляді цільової функції

К = g(P₁,P₂,...,P_n), (9)

де P₁,P₂,...,P_n -- масові частки компонентів, що входять в рецептуру пралінової суміші, по відношенню до відповідного дозатора. Ступінь досягнення цієї мети залежить від змінних Pі, які дозволяють максимізувати функцію К, як узагальненого показника якості при дотриманні всіх вимог технологічного процесу, тобто К(P₁,P₂,...,P_n) max.

Для оцінки залежності в'язкості пралінової маси від вищеперелічених чинників були розроблені план експериментів одночинника і багаточинника. На підставі проведеного регресійного аналізу були одержані моделі впливу , , Т на готової суміші. Об'єктом дослідження був виріб “Білочка”, вихідною величиною У - в'язкість суміші, а вхідними чинниками: х1 - температура; х2 - процентний вміст жиру; х3 - швидкість перемішування. Задача ставилася таким чином: визначити опорну функцію, ступінь і довжину полінома, тобто вибрати вид функцій відгуку у разі моделі одночинника Y1=f(х1), Y2=f(х2), Y3=f(х3), і багаточинника Y4=f(х1,х2,х3). Після обробки результатів експерименту були одержані наступні результати: коефіцієнти кореляції значні: для функції Y1, r₁ =0,904; для функції Y2, r₂ =0,846; для функції Y3, r₃ =0,951, що підтверджує гіпотезу про вирішальний вплив вищеперелічених показників на якість кінцевого продукту. Потім за допомогою вибіркового кореляційного відношення було доведено що вхідні і вихідні величини зв'язані нелінійним кореляційним зв'язком і одержані в результаті дослідження регресійні моделі мають вигляд:

, ,

,

де, ,, - коефіцієнти, значення яких залежать від виду пралінової маси. У окремому випадку, для виробу “Білочка” моделі експерименту одночинника прийняли вигляд:

Були побудовані поверхні відгуку і їх проекції на площину, з урахуванням фіксації кожного параметра на трьох рівнях: мінімальний, середній і максимальний з урахуванням варіації двох параметрів на всьому інтервалі дослідження.

При перевірці значущості коефіцієнтів регресійних моделей (по критерію Фішера) всі вони виявилися значущі, а моделі адекватними при довірчій вірогідності 0,95.Одержані моделі були використані в автоматизованому модулі системи управління ТП на основі експертних оцінок поточної ситуації і оцінки якості партії готової суміші.

Таким чином, запропонований алгоритм дозволяє забезпечити синхронність роботи структурних елементів рецептурної станції на підставі формалізованих знань і досвіду експертів. На підставі аналізу характеристик основного показника якості готової продукції сформована цільова функція управління технологічним процесом. Розроблен і пропонується алгоритм знаходження математичних моделей, що характеризують стан технологічного процесу, шляхом обробки результатів експерименту з урахуванням технологічних обмежень і оцінки адекватності отриманих моделей.

У п'ятому розділі - “аспекти реалізації автоматизованої системи управління” розглянута промислова реалізація автоматизованої системи, приведена схема підключення вимірювальних засобів, визначені режими роботи експертної оцінки, які забезпечують функціональні можливості: розпізнавання аварійних або режимних ситуацій; реєстрацію режимних параметрів; аналіз ситуацій і видача рекомендацій по ухваленню рішення у виробничому циклі; адаптація на конкретне обладнання кондитерських ліній; поповнення інформації в базі знань. Описана програмна реалізація системи, яка функціонує в одному з наступних режимів: режим навчання і коректування бази знань і бази даних; режим розпізнавання ситуації і вироблення управляючих рішень, який забезпечує формування управляючих дій для коректування ходу технологічного процесу, видачу рекомендацій обслуговуючому персоналу у вигляді мовних і звукових сигналів, відеоповідомлень.

Для перевірки працездатності АСУ ТП було проведено її тестування в режимі експертної оцінки розробки робочих рецептур. Критерієм ефективності приймалася здатність системи пропонувати рецептуру з урахуванням наявності початкової сировини на складі і з урахуванням мінімальних витрат закупівлі у постачальників. Результати порівнювалися з аналогічними робочими рецептурами, що розробляються експертами - кондитерами. Результати співпали на 89%, що підтверджує ефективність АСУ ТП в даному питанні. було проведене тестування АСУ ТП в задачі формування плану завдання на випуск продукції. Імітаційне моделювання проводилося за даними за один квартал з урахуванням експертної оцінки попиту споживачів, реалізації готової продукції АТ “Кондитерська фабрика “А.В.К”. Критерієм ефективності був середній об'єм залишків готової продукції і відповідно об'єм збитків від нереалізованої продукції.

АМ побудови розкладу взаємодії технологічних апаратів паралельних кондитерських ліній був упроваджений на АТ “Кондитерська фабрика “А.В.К” та на Черкаській бісквітній фабриці. Він направлений на підвищення ефективності виробництва за рахунок збільшення об'єму виробництва, поліпшення якості продукції, що випускається, зниження об'єму незавершеного виробництва, зменшення часу простою технологічного обладнання. За наслідками експериментальних даних побудовані графіки, на яких видно: скорочення часу простою обладнання в 2,7 - 7,5 рази; скорочення робочого персоналу в два рази. Відповідно і продуктивність збільшилася в 1,1-1,3 рази. Цього вдалося досягти за рахунок стабілізації ходу технологічного процесу за допомогою використовування АСУ ТП.

В висновку сформульовані наукові результати і практична значущість виконаної роботи. У додатках приведені документи про упровадження і використовування результатів дисертаційної роботи; довідкові дані про рецептури аналізованих виробів, показники початкової сировини і склад баз даних, що лежать в основі автоматизованої системи; плани експериментів одночинника і одночинника з методикою побудови регресійних моделей.



ВИСНОВОК

У дисертаційній роботі дано нове рішення актуальної наукової задачі створення автоматизованої системи управління технологічним процесом приготування пралінових мас на основі експертних оцінок, яка забезпечує отримання продукції заданої якості, узгоджену роботу обладнання і поліпшення планування виробництва взагалі. Створена система дозволяє підвищити продуктивність технологічного процесу в умовах виробничої ситуації, що змінюється. За результатами роботи можна зробити наступні висновки:

1. Аналіз існуючої системи управління технологічним процесом приготування пралінових мас виявив такі недоліки, як неповну узгодженість управління, трудність вибору однозначних управляючих дій, відсутність оперативності в узгодженні управління обладнанням, що використовується на паралельних кондитерських лініях, відсутність оптимізації процесу планування випуском продукції та формалізованого аналізу впливу якості сировини і значень режимних параметрів окремих стадій технологічного процесу приготування пралінових мас на вихідну якість продукції.

2. Запропонована удосконалена структура автоматизованої системи управління технологічним процесом приготування пралінових мас, за рахунок включення в контур управління експертних оцінок, а саме за рахунок об'єднання всіх функцій обробки інформації і управління в єдиній системі, що охоплює всі етапи від експертного аналізу попиту на продукцію до управління технологічними операціями. Такий підхід забезпечує безперервний зв'язок між формуванням плану випуску продукції і безпосереднім управлінням технологічними операціями.

3. Побудована математична модель, що описує окремі сторони функціонування технологічного процесу, а саме об'єми продукції, що випускається, залежно від ресурсів, які використовуються на виробництво одиниці окремого продукту. Така модель містить “спрощуючі” передумови, такі як: лінійна залежність між об'ємами витрат ресурсів і об'ємами виробництва, припущення про незалежність цін на продукцію від асортименту. запропонована вдосконалена математична модель формування плану завдання на випуск продукції, на підставі апарату динамічного програмування. проаналізована стійкість оптимального плану по відношенню до зміни вектора обмежень по ресурсах початкової сировини і варіації цільової функції. Результати моделювання показали, що очікувана ефективність - це поліпшення плану завдання на випуск продукції в 5 разів (по відношенню до залишків нереалізованої продукції).

4. Вирішена задача автоматизованого проектування робочих рецептур, яка передбачає можливість пропонувати в ході розрахунку дозволену ДСТУ заміну подібних видів сировини. Це дає можливість вибрати найекономічніший варіант заміни сировини залежно від сезонності і кон'юнктури. Дослідженнями в тестових перевірках підтверджена ефективність і правильність її побудови. З участю експертів-кондитерів вироблене тестування з питання складання робочих рецептур, при якому встановлено 89% збігів і правильних рекомендацій, що визначає придатність використовування в реальних умовах.

...