Информационно-управляющая система энергосберегающего планирования загрузки комплекса электрических печей

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы

(технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Информационно-управляющая система энергосберегающего планирования загрузки комплекса электрических печей

Мачихин Александр Игоревич

Тамбов 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет" на кафедре "Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем".

Научный руководитель доктор технических наук

Муромцев Дмитрий Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Карпов Иван Георгиевич

кандидат технических наук

Королёва Наталья Александровна

Ведущая организация ГОУ ВПО "Воронежский

Государственный университет"

Защита состоится 26 февраля 2008 г. в 1300 ч на заседании диссертационного совета Д212.260.05 ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет" по адресу: 392000, Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, Большой зал.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.260.05 З.М. Селивановой. E-mail: crems@crems.jesby.tstu.ru. Факс: 8-4752-72-18-13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ.

Автореферат разослан 25 января 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета З.М. Селиванова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Основными потребителями электроэнергии на многих промышленных предприятиях являются электрические печи, используемые для эффективной термообработки различных материалов и деталей. Цеха термообработки предприятий машиностроения и электронной промышленности могут насчитывать десятки печей различных типов, а количество видов деталей, которое обрабатывается в этих печах, исчисляется тысячами. Для каждого вида деталей существует своя программа термообработки: температура нагрева, время выдержки, количество этапов обработки, среда нагрева и охлаждения, директивный срок выпуска деталей и т.п. Значительные затраты энергии при термообработке связаны с начальным разогревом печей и догревом до требуемой температуры после открывания дверцы или смены режима обработки. При этом доля времени работы печей в динамических режимах достигает 20 % и более. Учитывая эти факторы, а также необходимость уменьшения затрат энергии и ряд дополнительных ограничений, в том числе на обеспечение энергетической эффективности, задача управления комплексом электропечей становится одной из основных при планировании календарного производства. Эта задача имеет очень большую размерность, и в большинстве случаев получить её оптимальное решение не представляется возможным.

Применяемые на практике подходы к планированию и управлению комплексами электропечей являются неэффективными. В связи с этим актуальной задачей является разработка информационно-управляющих систем (ИУС) энергосберегающего планирования загрузки для комплексов электропечей, которые способны оперативно корректировать план обработки с обеспечением минимизации затрат энергии, учитывая специфические параметры печей и деталей, тем самым повысив гибкость производства и качество продукции и снизив затраты времени и электроэнергии.

Поэтому создание ИУС, обеспечивающей оптимальное энергосберегающее управление (ОЭУ) комплексом электропечей с учетом изменения состояний функционирования в процессе эксплуатации без снижения требуемого уровня качества продукции, а также оптимальное распределение плановых заданий по печам с целью оптимизации производственного процесса является своевременной и актуальной задачей.

Цель диссертационной работы заключается в составления с помощью ИУС расписаний работы комплекса электропечей при термической обработке материалов для минимизации энергозатрат и времени выполнения плановых заданий.

Для достижения поставленной цели в диссертационном исследовании определены следующие задачи:

разработать информационные модели обрабатываемых деталей, печей и "цепочек" термообработки, а также алгоритмы для расчёта времён прохождения работ по "цепочкам";

сформулировать и решить задачи оптимального энергосберегающего управления (ЗОЭУ) комплексом электропечей для различных ситуаций;

разработать метод решения задач оптимального распределения плановых заданий между печами при минимизации затрат энергии и времени их выполнения;

разработать алгоритмическое обеспечение ИУС, обеспечивающей энергосберегающее планирование загрузки для комплексов электропечей;

разработать ИУС, осуществляющую решение задач составления расписаний работы комплекса электропечей при термической обработке материалов.

Объект исследования. Информационно-управляющая система энергосберегающего планирования загрузки комплекса электрических печей.

Предмет исследования. Математическое и алгоритмическое обеспечения информационно-управляющих систем динамическими режимами сложных объектов.

Методы исследования. Для решения перечисленных задач в работе использованы методы CASE и CALS-технологий, структурного анализа, функционального и информационного моделирования, объектно-ориентированного и визуального программирования, математического и имитационного моделирования сложных объектов и систем, анализа и синтеза оптимального управления на множестве состояний функционирования, теории расписаний.

Научная новизна работы

Предложен метод оперативного составления расписаний работы комплекса электропечей при термической обработке материалов, отличающийся обеспечением минимизации энергозатрат и времени выполнения плановых заданий, учитывающий индивидуальные особенности печей, режимов термообработки, а также возможные изменения в плане из-за поступления срочных заказов, перебоев в поставке материалов и отказов оборудования.

Созданы алгоритмы оперативного расчёта времени и энергозатрат на обработку партий материалов при энергосберегающем управлении комплексом электропечей, позволяющие учитывать различные варианты построения "цепочек" термообработки.

Разработаны концептуальная и функциональная модели, а также структурная схема информационно-управляющей системы энергосберегающего планирования загрузки комплекса электропечей, отличающиеся тем, что объединяют в себе задачи планирования и энергосберегающего управления.

Практическая ценность. На базе диссертационного исследования разработаны программные модули анализа и синтеза ресурсосберегающего управления сложными объектами для проектирования алгоритмов оперативного решения ЗОЭУ комплексом электропечей в виде дополнения к Экспертной системе "Энергосберегающее управление динамическими объектами". Разработано алгоритмическое и программное обеспечения информационно-управляющей системы энергосберегающего планирования загрузки комплекса электропечей. Использование разработанных алгоритмов позволяет снижать затраты энергоресурсов на 10…15 % без ухудшения качества выпускаемой продукции. Материалы исследований используются в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании на кафедре "Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем" ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет", а также приняты к внедрению на ОАО "Тамбовский завод "Электроприбор".

Положения, выносимые на защиту:

метод оперативного составления расписаний работы комплекса электропечей при термической обработке материалов, минимизирующий энергозатраты и время выполнения плановых заданий;

информационные модели "цепочек" термообработки, математический аппарат для оперативного подсчёта времени на прохождение работ по "цепочкам";

концептуальная и функциональная модели, а также структурная схема информационно-управляющей системы энергосберегающего планирования загрузки комплекса электропечей.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на следующих конференциях: Международной научно-практической конференции "Прогрессивные технологии развития" (г. Тамбов, 2005 г.),

2-й Международной научно-практической конференции "Составляющие научно-технического прогресса" (г. Тамбов, 2006 г.), 3-й Международной заочной научно-практической конференции "Наука на рубеже тысячелетий" (г. Тамбов, 2006 г.), 6-й Международной теплофизической школы "Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством" (г. Тамбов, 2007 г.). Материалы исследований используются в учебном процессе, а также при курсовом и дипломном проектировании на кафедре "Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем" ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 научные статьи, одна из которых опубликована в издании из перечня ВАК, и 4 тезиса докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 148 страницах. Содержит 35 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает 110 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, определены ее научная новизна, практическая ценность и положения, выдвигаемые на защиту. Дана аннотация работы по главам.

В первой главе "Системы управления электрическими печами" представлены основные характеристики электротермического оборудования, классификация современных методов нагрева, дается краткое описание электропечей и приводятся особенности их функционирования. Рассмотрены существующие подходы к управлению комплексами электропечей, выявлены их основные недостатки, проанализированы методы календарного планирования процессов термообработки на предприятиях машиностроения и электронной промышленности. Дан краткий обзор систем энергосберегающего управления, показана актуальность энергосберегающего управления комплексами электропечей. Приведены традиционные постановки задач оптимального управления (ЗОУ), учитывающие возможные состояния функционирования, а также рассматриваются алгоритмы, используемые для оперативного синтеза энергосберегающего управления с учетом факторов неопределенности.

В обзоре приведены сведения об отечественных и зарубежных программно-аппаратных средствах, применяемых в системах управления, в том числе SCADA-системы и CASE-средства. Показано отсутствие алгоритмического обеспечения для энергосберегающих систем управления динамическими режимами в широком диапазоне исходных данных.

Сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе "Математическое обеспечение информационно-управляющей системы" исследуются ЗОУ комплексом электропечей с учетом возможных изменений в плане обработки и отказов оборудования,

рассматриваются модели процессов термообработки и динамики печей,

сформулированы и решены задачи полного анализа оптимального управления (ОУ) комплексом электропечей на множестве состояний функционирования (МСФ). Рассмотрены решения задач теории расписаний (ТР) для составления оптимального плана термообработки материалов и деталей, а также вопросы, учитывающие факторы неопределенности для систем оптимального управления (СОУ).

Рис. 1. Концептуальная модель процесса термообработки материалов

печь затрата энергосберегающий информационный

Большинство энергоёмких объектов имеют несколько входов и несколько выходов, т.е. относятся к классу многомерных динамических систем, называемых MIMO-системами. ИУС энергосберегающего планирования загрузки комплекса электропечей относится к таким системам. Во многих случаях MIMO-системы можно представить как совокупность одномерных объектов, для которых исходные данные задачи управления определяются совместным решением комплекса задач, включающих, в частности, ЗОЭУ. Концептуальная модель процесса термообработки материалов представлена на рис. 1.

При анализе ОУ комплексом электропечей можно выделить два вида задач: общую ЗОУ всей системой в целом, которую будем называть метазадачей, и задачи энергосберегающего управления отдельными электропечами, которые назовём локальными задачами. На этапе решения метазадачи при оптимизации временных характеристик системы и минимизации энергозатрат применяются различные алгоритмы ТР и энергосберегающего управления, при этом для определения видов функций ОУ тепловыми аппаратами и прогнозирования затрат электроэнергии используется программная стратегия управления.

В общем случае метазадача ОЭУ комплексом электропечей формулируется следующим образом. Рассматривается система из n видов деталей и m типов печей (машин), процесс полной обработки детали i-го вида будем называть i-й работой, i-я работа состоит из -операций. Каждая операция обозначается тройкой , где - номер работы, ; - номер операции этой работы, ; - тип печи, в которой операция выполняется, .

В качестве исходных данных задаются следующие величины:

- массив моментов поступления i-х работ в систему;

- массив длительностей выполнения операций ;

- моменты начала выполнения работы машиной ;

- матрица предварительных настроек k-й печи, где представляет собой длительность настройки k-й печи при переходе от работы к работе ;

- массив длительностей пауз между j-й и ( j + 1)-й операциями при выполнении i-й работы;

- массив плановых (директивных) сроков выхода i-х деталей;

- массив, содержащий количество партий деталей i-го типа при обработке в k-й печи;

- массив регламентов термообработки для каждой i-й детали.

Под предварительной "настройкой" машины понимаются все действия, выполняемые обслуживающим персоналом и самой машиной, обеспечивающие её полную готовность к началу выполнения очередной операции. Применительно к печам, настройка заключается в загрузке партии материалов, установке режима термообработки и нагреве/охлаждении печи до заданной температуры. Длительность настройки зависит от разницы между начальной и конечной температурой, технических характеристик печи и алгоритма, по которому осуществляется нагрев.

На длительность и порядок выполнения операций накладываются следующие ограничения: каждая печь выполняет одновременно не более одной операции, т.е. , ; операции выполняются в определённой технологическим регламентом последовательности, т.е. ; никакие две операции, относящиеся к обработке одной партии деталей, не выполняются одновременно; максимальная длительность паузы не должна превышать : . Критерий оптимальности содержит две составляющие: общее время выполнения планового задания и суммарные затраты энергии .

Требуется составить такое расписание термообработки деталей, чтобы значение векторного критерия оптимальности было минимальным.

Математически эта задача записывается в следующем виде:

(1)

где - весовые коэффициенты; - максимально допустимая длительность выполнения планового задания; - вид функции управляющего воздействия, по которой осуществляется нагрев печи.

При анализе метазадачи ОЭУ комплексом электропечей возможны три случая задания исходных данных, которым соответствуют три задачи составления расписаний. В первом случае все компоненты исходных данных полностью известны и строго определены. Во втором случае задания исходных данных имеет место фактор неопределённости, так как либо часть данных отсутствует, либо данные заданы интервальными значениями. Этот вариант имеет место в реальном производственном процессе при постоянном изменении условий функционирования комплекса электропечей. В третьем случае количество операций в работе может быть больше трёх, а остальные параметры заданы, как в первом или втором случае.

В ходе анализа процесса термообработки материалов определяются: информационные модели деталей, печей и "цепочек" термообработки; альтернативные варианты "цепочек" для каждого вида обрабатываемых деталей; затраты времени и электроэнергии на обработку деталей по каждой из "цепочек". Под "цепочкой" термообработки понимается совокупность печей и связей между ними, предназначенных для полного выполнения одной работы в соответствии с регламентом обработки. "Цепочки" используются при анализе основных этапов обработки деталей. С их помощью ИУС планирует процесс термообработки в зависимости от различных факторов: директивный срок выхода деталей, минимизация энергозатрат, количество доступных печей и т.д. В зависимости от имеющихся производственных мощностей, плана обработки и требований критериев оптимальности "цепочки" термообработки для одного и того же материала могут иметь различный вид.

Рассмотрим альтернативные варианты построения "цепочек" термообработки и общее время, затрачиваемое на обработку -партий деталей при -операциях.

Линейная "цепочка" предполагает последовательную обработку всех партий деталей в каждой из печей "цепочки", одну за другой. На каждом этапе термообработки имеется одна печь из списка допустимых.

Так как порядок следования операций при подсчёте общего времени выполнения i-й работы не принципиален, для упрощения вычислений будем считать, что наиболее длительная операция выполняется последней, а самая короткая операция - первой, т.е. операция с индексом будет самой продолжительной, а с индексом 1 - самой короткой. Время, затрачиваемое на выполнение i-й работы, вычисляется по формуле

, (2)

где - наибольшее время обработки операции i-й работы.

"Цепочки" параллельной обработки представляют из себя x линейных "цепочек", параллельно обрабатывающих различные партии одного вида деталей, образуя линейную "цепочку"с производительностью в x раз больше исходной. Время прохождения i-й работы равно

, (3)

где , если число партий деталей делится на количество цепочек без остатка, или , если не делится, - целая часть числа .

Виртуальные "цепочки" осуществляют псевдовыравнивание времени обработки на каждой операции работы за счёт дублирования более "долгих" печей, при этом каждая из печей более длительной операции обрабатывает лишь свою часть из общего числа партий. Условием для эффективного применения виртуальных "цепочек" является то, чтобы вместимость печей на различных операциях была примерно равна.

Общее время выполнения i-й работы рассчитывается по формуле

; (4)

здесь - длительность самой короткой операции.

Линейная "цепочка" виртуальных печей применяется для выравнивания объёмов обработки на каждой операции за счёт дублирования "маленьких" печей. Несколько печей, объединённых вместе на некоторой операции и образующих одну печь большего объёма, будем называть виртуальной печью. Условием для эффективного применения данного вида "цепочек" является то, чтобы время обработки на различных операциях было примерно одинаковым.

Формула для расчета времени обработки имеет вид

; (5)

здесь - максимальное количество печей, входящих в состав виртуальной печи на некоторой операции работы; - рассчитывается как число партий деталей для печи наименьшей вместимости.

Комбинированная "цепочка". В случае, когда и время обработки, и вместимость печей на различных операциях работы существенно отличаются, возможно комбинирование предыдущих двух способов построения "цепочек". Формула для расчета времени обработки имеет вид

. (6)

Затраты энергии на термообработку -партий деталей рассчитываются по формуле

, (7)

где , и - соответственно, затраты электроэнергии на предварительную настройку, поддержание заданной температуры термообработки и управляемое охлаждение деталей в печи на j-м этапе.

Эффективность работы алгоритма ОЭУ электропечами в динамических режимах во многом зависит от адекватности используемых моделей динамики. Модель ЗОУ рассматривается как четверка , где - обозначение модели динамики объекта управления; - минимизируемый функционал; - стратегия; - ограничения.

В качестве минимизируемого функционала в задаче энергосберегающего управления электропечами рассматриваются затраты энергии.

В случае ОУ динамическими режимами в электрических печах с учетом изменяющихся условий функционирования задача может формулироваться следующим образом. Задаются математическая модель динамики объекта управления, т.е. вид дифференциального уравнения и его параметры, требования к динамическому режиму (границы для траектории изменения вектора фазовых координат, временной интервал управления) и вид минимизируемого функционала . При этом точные значения и становятся известными непосредственно перед началом процесса нагрева. Требуется оперативно проверить существование решения ЗОУ, если решение существует, то определить вид и рассчитать параметры функции ОУ. В противном случае необходимо определить управление, при котором динамический режим незначительно отличается от требуемого, например, увеличивается временной интервал нагрева.

Математически данная ЗОУ применительно к объекту, динамика которого может быть представлена дифференциальным уравнением второго порядка, записывается следующим образом:

(8)

(9)

(10)

(11)

; (12)

здесь - вектор фазовых координат; в нашем случае , - температура в печи и скорость ее изменения; , - допустимые области изменения , ; , , - управление и границы допустимой области его изменений; - минимизируемый функционал затрат энергии; - параметры модели объекта.

Для выполнения анализа ОУ электрическими печами на МСФ используются принцип максимума и метод синтезирующих переменных. Вектор синтезирующих переменных L однозначно определяет вид и параметры функции ОУ. Размерность L на порядок ниже размерности массива R, за счет этого появляется возможность визуализировать получаемые результаты.

Полный анализ ОУ комплексом электропечей проводится в следующей последовательности:

Составляется матрица "детали-печи" , где - количество партий деталей i-го вида при обработке в k-й печи. Определяются партии деталей с полной, средней и малой загрузкой.

Для каждого вида печей производится идентификация моделей динамики для различных вариантов объёма загрузки и режимов работы.

Анализируется возможность совместной обработки партий различных видов деталей, имеющих одинаковый регламент обработки либо для всей работы, либо на отдельных операциях.

Составляется матрица номинальных температур в печах при выполнении различных операций, а также изменений температур вследствие открывания дверцы печи для разгрузки и загрузки деталей.

Рассчитываются энергозатраты при термообработке одной и всех партий деталей данного вида для каждого типа печей.

Составляется трехмерная матрица предварительных настроек, содержащая информацию о времени и энергозатратах на нагрев/охлаждение печей при переходе от (i - 1)-й работы к i-й.

Рассчитывается максимальное отклонение энергозатрат при обработке i-го вида деталей на j-й операции в печи k-го типа от средней величины затрат энергии по всем печам, где может вестись термообработка данного вида деталей:

; (13)

здесь - величина энергозатрат при обработке всех партий деталей i-го вида на j-й операции в k-й печи; по значению для каждого вида деталей исключаются из рассмотрения печи с .

Определяется, сколько партий деталей i-го вида необходимо обработать в печи на (j - 1)-й операции, чтобы обеспечить одну полную загрузку печи j-й операции (при ).

В третьей главе "Алгоритмическое обеспечение информационно-управляющей системы" на основе полученных результатов рассматриваются задачи разработки оперативных алгоритмов оптимизации плана обработки и ОЭУ комплексом электропечей. Наибольший интерес для практики представляют алгоритмы решения задач оптимального распределения плановых заданий и синтеза оптимальных управляющих воздействий в реальном времени вне зависимости от изменяющихся условий окружающей среды. Исследуются различные алгоритмы, необходимые при проектировании ИУС энергосберегающего планирования загрузки комплекса электропечей.

Для оперативного формирования расписаний термообработки и минимизации затрат электроэнергии при выполнении планового задания разработан метод, реализующий квазиоптимальное расписание, который состоит из четырёх основных этапов:

Подготовительный этап.

Предварительное составление базового расписания.

Составление альтернативных вариантов расписаний.

Выбор наиболее оптимального варианта расписания.

На первом этапе систематизируются и приводятся к единому виду данные и знания, полученные в ходе анализа задачи термообработки.

Основная цель второго этапа - упорядочить подлежащие выполнению работы так, чтобы свести к минимуму степень нарушения плановых сроков. Для оценки величины запаса или дефицит времени на обработку и выбора способа построения расписания вычисляется соотношение между длительностью выполнения каждой работы и директивным сроком её завершения . На основании этих данных и данных, полученных на первом этапе, составляется базовое расписание термообработки.

На третьем этапе в базовое расписание вносятся корректировки и дополнительные условия, направленные на снижение энергозатрат. Наиболее значимыми корректировками, которые приводят к составлению нового варианта расписания, являются следующие:

распределение деталей по печам производится при помощи методов, минимизирующих энергозатраты, например, метода назначений, где в качестве меры эффективности используется величина затрат энергии;

для всех операций термообработки по матрице энергозатрат проверяется возможность замены используемых типов печей на печи с меньшим энергопотреблением;

расписание анализируется на возможность объединения нескольких партий деталей различных видов на некоторой операции с целью обработки их в одной печи большего объёма.

Для повышения эффективности процесса поиска оптимального результата при замене одних типов печей на другие используются различные варианты генетических алгоритмов.

В результате третьего этапа формируются несколько вариантов альтернативных расписаний с различными значениями и .

На четвёртом этапе производится выбор квазиоптимального варианта расписания из полученных на предыдущих этапах.

Задача синтеза в реальном времени энергосберегающих управляющих воздействий при программной стратегии, т.е. для моделей ЗОУ вида , решается непосредственно микропроцессорным управляющим устройством и заключается в следующем. Для заданного массива исходных данных в состоянии функционирования требуется за время , не превышающее шаг дискретизации работы микропроцессорного устройства, рассчитать значение вектора синтезирующих переменных , затем по значению определить вид функции ОУ и ее параметры. Если значение лежит за пределами допустимой области, то выдается сигнал об отсутствии решения ЗОУ для значений массива . В случае изменения значения переменной состояния функционирования за время определяются новые значения , вид и параметры функции ОУ.

Аналогично эта задача синтеза формулируется и при использовании позиционной стратегии (модель ЗОУ ), но здесь при каждом изменении определяются вид и параметры синтезирующей функции. На практике вместо реализации непрерывной функции ОУ целесообразно использовать квазиоптимальное управление в виде ступенчатой функции с небольшим числом фиксированных значений .

При рассмотрении всего комплекса задач управления (разогрев, стабилизация и т.д.) тепловыми аппаратами для управляющего устройства выделяются следующие основные режимы работы:

энергосберегающий разогрев объекта до заданной температуры к требуемому моменту времени, т.е. реализация задачи ОУ;

стабилизация температуры в аппарате, т.е. поддержание требуемой температуры с использованием алгоритма регулирования при незначительных отклонениях регулируемой величины от заданного значения;

устранение существенных отклонений регулируемой величины от требуемой с минимумом затрат энергии;

режим перехода от разогрева к стабилизации, позволяющий исключить значительное скачкообразное изменение управляющего воздействия.

Алгоритм управления в этом случае записывается в виде:

(15)

где - температура перехода на режим стабилизации; - синтезирующая функция на временном интервале энергосберегающего разогрева; - синтезирующая функция в переходном режиме с массивом реквизитов на интервале ; - алгоритм регулирования при отклонениях , не превышающих допустимое значение ; - синтезирующая функция при устранении существенных отклонений с массивом реквизитов , в котором задается время устранения рассогласования .

С использованием результатов анализа определяются виды функций и на основе решения задачи энергосберегающего управления для двух стадий, т.е. для временных интервалов и . При этом варьируются значения и верхняя граница управления в массиве реквизитов . Затем рассчитываются параметры функции ОУ, при необходимости корректируется время и допустимое значение . Синтезирующая функция определяется по аналогии с .

В четвертой главе "Реализация информационно-управляющей системы для решения задач энергосберегающего планирования" рассматриваются методические и практические аспекты энергосберегающего планирования загрузки комплекса электрических печей с использованием ИУС, алгоритм работы которой заключается в следующем. План и регламент термообработки поступают на вход системы, где формируются исходные данные для решения ЗОУ комплексом электропечей. Идентификация моделей динамики используемых печей производится Экспертной системой, БЗ которой содержит алгоритмы идентификации, а также БД по решению задач (которые уже решены). Все это составляет ядро ИУС. На основе полученных данных формируется базовое расписание термообработки, которое затем дорабатывается с целью снижения общей величины энергозатрат. Из множества сформированных расписаний на основе критериев оптимальности и сведений, полученных от экспертов, выбирается то, которое в наибольшей степени отвечает запросам решаемой задачи.

Рис. 2. Структурная схема информационно-управляющей системы

Рис. 3. Техническая реализация системы управления и мониторинга

После этого ИУС, взаимодействуя с операторами цеха в диалоговом режиме, выдаёт на АРМ команды: как, куда и каким образом загружать обрабатываемые материалы. Далее на основе энергосберегающих алгоритмов производится нагрев, выдержка и управляемое охлаждение деталей, после чего ИУС вновь выдаёт на АРМ новые инструкции по термообработке следующей партии материалов.

Структурная схема разработанной ИУС представлена на рис. 2. Система включает семь модулей, базу знаний, машину вывода, базу данных и подсистему пользовательского интерфейса.

Техническая реализация системы управления и мониторинга приведена на рис. 3. К её аппаратной части относятся АРМ операторов цеха на базе промышленных компьютеров, многоканальный комбинированный контроллер, промышленный управляемый коммутатор и сервер предприятия.

Для удалённого управления процессами термообработки и мониторинга системы имеется возможность подключения её к сети Internet, что позволит передавать данные о работе комплексов электропечей на любую рабочую станцию с возможностью постоянного визуального контроля и изменения или корректировки расписания термообработки. Для защиты данных от несанкционированного доступа через сеть Internet сервер предприятия оснащён межсетевым экраном и системой авторизации, которые препятствуют потере или порче информации извне.

Мониторинг теплофизических свойств термоизоляции печи, который позволяет определить степень износа футеровки, даёт возможность своевременно производить ремонт оборудования и обеспечить требуемое качество продукции.

Разработанная система обеспечивает квазиоптимальное распределение плановых заданий между печами, а также регистрацию температур внутри и снаружи печей, решает задачи идентификации моделей динамики и синтеза в реальном времени энергосберегающих управляющих воздействий. Она адаптирована к жестким условиям производства и имеет высокую помехозащищенность. В системе предусмотрено бесперебойное питание, она продолжает выполнение заданного процесса термообработки после отключения электроснабжения, начиная с фактической температуры, до которой остыли печи за время отключения.

В приложение вынесены численные и графические результаты расчетов при составлении квазиоптимального расписания, описание технических средств управления и мониторинга, акты внедрения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Разработана концептуальная модель процесса термической обработки материалов, учитывающая основные внешние воздействия и содержащая набор средств и методов для обеспечения минимизации затрат электроэнергии и времени на термообработку.

Разработан метод оперативного составления расписаний работы комплекса электропечей при термической обработке материалов с обеспечением минимизации энергозатрат и времени выполнения плановых заданий.

Создано алгоритмическое обеспечение ИУС энергосберегающего планирования загрузки комплекса электропечей, включающее алгоритмы ресурсосберегающего управления и оперативного составления квазиоптимальных расписаний.

Разработана функциональная модель, а также структурная схема информационно-управляющей системы энергосберегающего планирования загрузки комплекса электропечей.

Создана и внедрена ИУС энергосберегающего планирования загрузки комплекса электропечей, минимизирующая затраты времени и электроэнергии при термообработке материалов и обеспечивающая требуемое качество выпускаемой продукции.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Мачихин, А.И. Алгоритмическое обеспечение прямого и обратного моделирования задач оптимального управления / А.И. Мачихин, В.В. Орлов // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. молодых учёных и студентов / Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 2004. - Вып. 15. - С. 155 - 158.

Мачихин, А.И. Информационно-управляющая система энергосберегающего управления группой тепловых аппаратов / А.И. Мачихин, Д.Ю. Муромцев // Информационные системы и процессы : сб. науч. тр. / под ред. проф. В.М. Тютюнника. - Тамбов; М.-СПб.-Баку-Вена : Изд-во "Нобелистика", 2005. -Вып. 3. - С. 122 - 126.

Мачихин, А.И. Анализ процессов термообработки при оптимальном энергосберегающем управлении группой тепловых аппаратов / А.И. Мачихин // Труды ТГТУ: сб. науч. ст. молодых учёных и студентов / Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 2007. - Вып. 20. - С. 170 - 174.

Муромцев, Ю.Л. Алгоритм оперативного решения задачи оптимального энергосберегающего управления комплексом электропечей / Ю.Л. Муромцев, А.И. Мачихин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов, 2007. - Т. 13, № 3а.

Мачихин, А.И. Автоматизация и оптимизация процесса управления группой тепловых аппаратов / А.И. Мачихин // Прогрессивные технологии развития : сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф., 10-11 дек. 2005 г. - Тамбов : Першина, 2005. - С. 118-119.

Мачихин, А.И. Автоматизация энергосберегающего управления группой электрических печей / А.И. Мачихин // Составляющие научно-техниче-

ского прогресса : сб. материалов 2-й Междунар. науч.-практ. конф., 21-22 апр. 2006 г. - Тамбов : Першина, 2006. - С. 132-133.

Мачихин, А.И. Алгоритм оптимального распределения плановых заданий между печами с целью минимизации затрат энергии и времени на обработку / А.И. Мачихин // Наука на рубеже тысячелетий "Science on a boundary of millenia" : 3-я Междунар. заоч. науч.-практ. конф., 20-21окт. 2006 г. - Тамбов : ОАО "Тамбовполиграфиздат", 2006. - С. 57 - 60.

Муромцев, Ю.Л. Алгоритм оперативного решения задачи оптимального энергосберегающего управления комплексом электропечей / Ю.Л. Муромцев, А.И. Мачихин // Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством : материалы 6-й Междунар. теплофизической школы : в 2 ч. Тамбов,

Размещено на Allbest.ru

...