Управление производством пироксилиновых порохов с использованием модифицированных сетей Петри

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В современных условиях производства технической химии, ориентированные в прошлом на оборонный госзаказ, приходится адаптировать к широкому ассортименту рыночно востребованной продукции. Управление многоассортиментным производством должно основываться на использовании системного подхода, компьютерных технологий и математическом моделировании. Особенностью производств технической химии является совмещение в рамках одной технологической схемы как непрерывных, так и периодических технологических процессов. Такие производства называют дискретно-непрерывными химико-технологическими системами (ДНХТС). Для моделирования ДНХТС используются, как правило, методы имитационного моделирования. Авторами предлагается модель управления ДНХТС изготовления пироксилиновых порохов на основе сетей Петри [1].

Анализ ряда ДНХТС показал, что при компьютерной имитации ситуаций реального производства применение математического аппарата классических сетей Петри (СП) связан с определенными трудностями. Поэтому предлагается расширение сетей Петри, проблемно ориентированное на компьютерное моделирование ДНХТС - дискретно-непрерывные сети (ДН-сети)

Как известно, сеть Петри [1] - это двудольный ориентированный размеченный мультиграф, аналитически задаваемый кортежем С=<P, T, I, O, M>, где P и T - множества вершин двух типов - позиций и переходов. Для описания динамики процессов, реализуемых в сети Петри, вводится концепция метки. Размещение меток по позициям называеися ее маркировкой.

Перемещения меток по сети представляет собой совокупность срабатываний переходов и отображают смену дискретного состояния моделируемой системы.

ДН-сетью назовем сеть Петри следующего вида:

С = <P, T, I, O, M, L, F , 1, 2>

где P = { p1, p2,... pn} - множество позиций, моделирующих элементы ДНХТС: аппараты периодического действия (или их состояние), буферные емкости, датчики и т.д.; T={t11, t22...tml} - множество переходов, на котором определена система приоритетов. Переходы в ДН-сети моделируют транспортный конвейер, связывающий аппараты (систему трубопроводов, транспортеров и т.д.). Срабатывание перехода интерпретируется как перемещение материальных потоков; M: Р > {(m1,m2,...mk)| mi{0,1,2,...}, i=1,k} U {M(p) | pP } - маркировка ДН-сети, задается константой или маркировкой некоторой позиции. При представлении ДН-сети в виде графического объекта позицию обозначает кружок, переход обозначается планкой. Метки интерпретируются как дискретные потоки (материальные или информационные). Входные дуги направлены от позиций к переходам по правилам, задаваемым входной функцией I, выходные дуги - от переходов к позициям согласно правилам выходной функции O. L={c1,c2,...ck} - множество цветов меток маркировки ДН-сети. Цвет метки cj = (e1,e2,...el), ei{0.1}, i = 0.l - вектор, компоненты которого характеризуют наличие одного из признаков в промежуточных продуктах. «Результирующий» цвет метки в конечной позиции - стоке ДН-сети определяет марку готового продукта.

Входная функция I и выходная функция О отражают структуру моделируемой ДНХТС.

программный дискретный петри

I = (I, Iс) - входная функция,

где I: PxT > {(m1,m2,...mk)| mi{0,1,2,...}, i = 1,k} U {M(p) | pP} - функция, определяющая кратности дуг для меток по каждому из цветов множества L; Iс: PxT> {(е1,е2,...еl)| ei{0,1}, i=1,l} - функция раскраски входных дуг;

Аналогично определяется выходная функция:

О = (О, Ос)

О: PxT> {(m1,m2,...mk)| mi{0,1,2,...}, i=1,k} U {M(p) | pP }; Ос: PxT> {(е1,е2,...еl)| ei{0.1}, i=1.l};

Функции раскраски Iс и Ос отражают номенклатурные возможности аппаратурного оформления ДНХТС.

F: Т>Р функция инцидентности ингибиторных дуг (задаются дугой с кружком на конце) реализует проверку маркировки позиции на нуль. Проверка на нуль интерпретируется как анализ занятости аппарата (свободен или заполнен полупродуктом).

1: T>N и 2: P>N функции определяющие время задержки при срабатывании перехода и время задержки в позиции, что интерпретируется как время загрузки аппарата и время получения промежуточного продукта соответственно.

Выполнение ДН-сети определяется движением меток, моделирует движение дискретных потоков полупродуктов и реализуется следующими правилами:

Переход t является разрешенным, если во всех его входных позициях количество цветных меток не меньше, чем кратность входных дуг I(t) соответствующей данному цвету раскраски Ic(t).

При срабатываении перехода t, маркировка М изменяется по следующим правилам. Из входных позиций удаляются метки, цвет cj которых совпадает с раскраской входных дуг Ic(t), количество их определяется кратностью дуг I(t). В выходные позиции помещаются метки в количестве, определяемом кратностью выходых дуг O(t), при этом операцией логического умножения векторов cj и Oc(t) формируются результирующие цвета меток cj в выходных позициях перехода t. Иначе говоря, через дугу перемещаются лишь те метки, цвет которых соответствует ее раскраске, при этом образуются новый результирующий цвет метки и новая раскраска дуги.

Результирующий цвет метки определяет текущее состояние полупродукта, его возможные технологические маршруты в пределах многономенклатурной ДНХТС, а, следовательно, и марку конечного продукта. Наличие в одной позиции меток разных цветов означает возможность реализации совмещенных техпроцессов в одном аппарате.

При предложенной формализации ДН-сеть позволяет моделировать функционирование многономенклатурной ДНХТС, осуществляющей паралелльный выпуск нескольких видов продукции. Классическим примером многономенклатурной ДНХТС является производство пироксилиновых порохов (ПП) [3]. В рыночных условиях производства со штатной продукции переориентируются на широкую номенклатуру спортивных, охотничьих и других преимущественно мелкозерненых порохов [4,5]

Процесс изготовления ПП - сложный многостадийный химико-технологический процесс, реализуемый в аппаратах периодического и дискретно-непрерывного действия. Рассмотрим участок производства пироксилиновых порохов, работающий по полунепрерывной технологии. Комплекс включает следующее технологическое оборудование (см. рис. 1): каскадный-смеситель-пресс (КСП), совмещающий процессы пластификации спиртоэфирным растворителем, прессования и резки полупродукта на элементы заданной длины, 2 пресса, формирующих при прессовании через матричную обойму геометрический профиль готовой продукции и 3 резательных станка, обеспечивающих линейные размеры продукта. Подробно техпроцесс изготовления ПП рассмотрен в [3].

Рис. 1. Схема аппаратурного оформления комплекса

Были построены сетевые модели основных аппаратов комплекса (см. табл. 1).

Табл. 1. Сетевые модели основных аппаратов комплекса

Из этих моделей синтезирована сетевая модель всего комплекса формирования геометрическогообраза пироксилиновых порохов (см. рис. 2).

Структура графа сетевой модели отражает структуру аппаратурного оформления комплекса, а выполнение ДН-сети имитирует его функционирование.

Рис. 2. Сетевая модель комплекса.

Интерпретация данной сетевой модели следующая.

Перед комплексом находится площадка, куда разгружается подвезенный из буферного хранилища промежуточный продукт (полупродукт). Вместимость площадки ограничена регламентом и обусловлена допустимым из-за летучести спиртоэфирного растворителя временем хранения промежуточного продукта.

Позиция p1 моделирует буферное хранилище, маркировка М(p1) = N означает наличие в ней N кг промежуточного продукта.

Из буферного хранилища промежуточный продукт привозится на площадку, откуда подъемником подается в отделение загрузки. Площадка моделируется фрагментом {t1, t2}{p2, p3}. Здесь p3 - позиция, моделирующая непосредственно площадку а р2 - сигнальная позиция, моделирующая вместимость данной площадки. Переход t1 моделирует вход на площадку, а переход t2 - подъемник, подающий промежуточный продукт в отделение загрузки, также выполняющее роль буфера.

Отделение загрузки моделируется фрагментом {t2, t3}{p4, p5, p6}. Здесь p6 - позиция, моделирующая отделение загрузки, а р5 - сигнальная позиция, моделирующая текущую вместимость отделения. Переход t2 моделирует подъемник, а переход t3 - дозирующий лоток аппарата КСП.

Позиция р4 моделирует запорную арматуру на подъемнике. Если М(р4) = 0 - подъемник работает, М(р4) = 1 - подъемник отключен.

Кратность входных и выходных дуг определяет порционность дискретных потоков.

Промежуточный продукт подается шнек-дозатором в каскадный смеситель-пресс. КСП моделируется фрагментом {t3, t5, t6}{p7, p8, p9, p10, p11, p12}. Поскольку в аппарате КСП два каскада - смесительный и прессующий, они моделируется двумя позициями p9 и p11. Вместимость аппарата КСП определяется маркировкой сигнальной позицией p8, включающей вместимость шнек - дозаторов и двух каскадов. Позиция р10 сигнальная ее маркировка характеризует текущую вместимость второго каскада. Позиции р7 и p12 моделируют запорную арматуру на входе (переход t3) и на выходе (переход t6) аппарата КСП. Переход t5 моделирует связующий люк между двумя каскадами.

Далее полупродукт в виде таблеток фильтрата поступает на конвейер и подается в отделение прессования. Позиция p13 моделирует транспортный конвейер и буферную площадку перед прессами.

Прессы моделируется следующими двумя фрагментами ДН-сети:

{t9, t11, t12}{p14, p16, p18, p19, p22, p24} и {t10, t13, t14}{p15, p17, p20, p21, p23, p25}.

Интерпретация элементов модели пресса следующая:

р16 (p17) - сигнальная позиция, моделирующая текущую вместимость пресса;

p18, p19 (p20, p21) - позиции, моделирующие 2 изложницы;

p22, p24 (p23, p25) - сигнальные позиции, задающие приоритетность выгрузки изложниц;

р14 (p15) - позиция, моделирующая запорную арматуру на входе в пресс;

t9 (t10) - переход, моделирующий вход аппарата, а t11, t12 (t13, t14) - переходы, моделирующие выходы аппарата из двух изложниц.

Кратность дуг на входе определяется вместимостью обеих изложниц. Поскольку прессование и выгрузка из изложниц последовательная, кратность дуг определяется вместимостью одной изложницы.

После прессования промежуточный продукт подается на резательные станки. Площадка перед станками моделируется позицией p26, отсюда полупродукт поступает на один из трех станков, моделируемых фрагментами: {t17, p27}, {t18, p28}, {t19, p29}. Здесь t17, t18, t19 - переходы, моделирующие 3 станка, а p14, p16, p18 - позиции, моделирующие запорную арматуру на них. После резки полупродут поступает на выгрузочный узел, моделируемый позицией p30 и далее на фазу удаления промежуточных растворителей.

Таким образом, движение меток описывает движение материальных потоков массы через аппараты комплекса формирования геометрического образа порохов, смоделированного дискретно-непрерывной сетью (ДН-сетью).

Технологическая безопасность производства накладывает ограничения на функционирование комплекса. Это отражено в сетевой модели системы управления. В частности:

Если М(р1) = 0, М(р3) = 0, М(р6) = 0, то это означает отсутствие промежуточного продукта в буферных хранилищах на входе в аппарат полунепрерывного действия КСП, а следовательно, и прерывание потока. Посредством перехода t4 управляющей сети метка помещается в позицию p7, моделирующую запорную арматуру КСП.

М(p7) = 1 - аппарат закрыт.

Если М(р13) > 120, то это означает: на выходе из КСП скопилось более 120 кг полупродукта. Поскольку время хранения полупродукта после аппарата КСП ограничено производительностью прессов, необходимо приостановить КСП. Посредством перехода t8 управляющей сети перекрывается вход и выход КСП. Аппарат работает в режиме смешения и ожидания прессования:

М(р7) = 1 и М(р12) = 1 - КСП-500А находится в режиме ожидания.

В случае ликвидации данной экстремальной ситуации (М(р13) = 0 - транспортный конвейер разгрузился) посредством перехода t7 управляющей сети открывается вход и выход аппарата КСП-500А:

М(р7) = 0 и М(р12) = 0 - КСП-500А вновь запушен.

Если М(р3) > 45, то это означает что резательные станки не успевают обработать поток полупродукта. Это влияет на качество конечного продукта. Поэтому посредством перехода t16 отключаются прессы:

М(р14) = 1 и М(р15) = 1 - прессы остановлены.

При устранении данной экстремальной ситуации в модели маркировка М(р26) = 0, что означает - буферная площадка опустела. Посредством перехода t15 прессы вновь запускаются

М(р14) = 0 и М(р15) = 0 - прессы включены.

Аппарат КСП согласно регламенту в режиме ожидания может находиться не более 48 часов, иначе теряются качественные показатели продукта. В управляющей сети механизм выгрузки КСП реализован фрагментом {t20, t21}{p31, p32}, где позиция p32 - дублер позиции p12: М(p31) = М(М(p12)). Петля t21 p31 моделирует таймер. Полагаем, что время работы перехода t21 равно 5 минут, Позиция p32 - сумматор таймера, отсчитывающего время простоя.

Если М(р32) = 48час·60мин/5мин = 576, то это означает, что полупродукт находится в аппарате более 48 часов. Тогда посредством запуска перехода t20 М(p12) = 0 и производится экстренная разгрузка аппарата КСП.

Таким образом, построена модель в виде ДН-сети функционирования комплекса с учетом системы организационного управления технологической безопасностью.

Модель адекватно отражает топологию аппаратурного оформления комплекса изготовления пироксилиновых порохов, а ее компьютерное выполнение динамику функционирования комплекса в виртуальном времени. При отсутствии возмущающих воздействий комплекс работает ритмично. При возникновении нештатной ситуации (отказы оборудования), организуемые в программной реализации ДН-сети маркированием позиций, моделирующих запорную арматуру, ритмичность нарушается и возможен останов производства или выпуск технологического брака. Программная реализация ДН-сети отразит эту ситуацию- сеть потеряет свойство живости и в сети возникнут тупики. Фактически программная реализация ДН-сети является имитационной моделью производства, реализованной не в виде традиционного алгоритмического описания, а на математической схеме ДН-сетей. Соответственно для модели применимы все методы анализа теории сетей Петри.

На основе данной модели разработано автоматизированное рабочее место диспетчера - программный комплекс, имитирующий функционирование многономенклатурного производства, позволяющий в диалоговом режиме провести оперативно-календарное планирование согласно плановому заданию, проследить сценарий развития нештатной ситуации при отказах оборудования и ликвидировать ее или минимизировать потери. В программном комплексе реализовано графовое представление модели на ЭВМ и компьютерная анимация ее на экране, что визуализирует динамику процессов производства с сохранением представления о динамике процессов в отдельных аппаратах. При наличии комплекса технических средств (системы датчиков) программный комплекс может стать ядром АСУТП производства.

Литература

1. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем. Пер. с анг. М.: Мир. 1984. С.264.

2. Басыров И.Р. Расширение сетей Петри, проблемно ориентированное на моделирование многоассортиментных производственных систем. Ученые записки КФЭИ. Казань. 2001. Вып.16. С.177-182.

3. Гиндич В.И. Технология производства пироксилиновых порохов. Казань. 1995. Т.2. С.391.

4. Коновалов В.И., Ляпин Н.М., Сопин В.Ф., Староверов А.А. Завьялова Н.Б. Тонкосводчатый пластинчатый порох для охотничьих патронов на основе труднолетучего удаляемого растворителя. Материалы докладов XIV Всероссийской межвузовской конференции «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология». Казань. 2002. Ч.2. С.282-284.

5. Ляпин Н.М., Коробкова Е.Ф., Староверов А.А. и др. Технический анализ пористых мелкозерненных пироксилиновых порохов для патронов к стрелковому оружию. Вторая Уральская конференция «Наукоемкие полимеры и двойные технологии технической химии». Тезисы докладов. Пермь. 1997. С.135.

Размещено на Allbest.ru