Основы построения автоматизированных систем иерархически-взаимосвязанного управления сложными технологическими процессами переработки природного сырья

Вид материала

Автореферат

Содержание Научный консультант Ведущая организация Общая характеристика работы Методы исследования Научная новизна работы Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов Практическая ценность работы Практическая ценность подтверждена На защиту выносятся Апробация работы. Объём работы. Содержание работы В первой главе Во второй главе В третьей главе Четвертая глава В пятой главе В шестой главе В седьмой главе В восьмой главе ... Полное содержание

Подобный материал:

• Основы построения автоматизированных систем иерархически-взаимосвязанного управления, 455.78kb.
• Методы построения радионавигационных полей для информационного обеспечения автоматизированных, 575.96kb.
• Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине "проектирование автоматизированных, 973.54kb.
• Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине проектирование автоматизированных, 690.29kb.
• Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине проектирование автоматизированных, 1086.71kb.
• Программы повышения квалификации ункит 8-10 «Создание асутп на базе scada систем (Trace, 10.42kb.
• 220033, г. Минск, пр. Партизанский 2, корп. 4 тел.+375-17-221-72-00, факс +375-17-221-72-00, 278.63kb.
• Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине "проектирование автоматизированных, 712.47kb.
• Технология построения информационного и математического обеспечения систем автоматизированного, 619.82kb.
• Информационная технология принятия решений при управлении сложными объектами с оценкой, 198.96kb.

На правах рукописи


Мокрова Наталия Владиславовна


ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ИЕРАРХИЧЕСКИ-ВЗАИМОСВЯЗАННОГО УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНОГО СЫРЬЯ


Специальность:

05.13.06 – автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Москва – 2010

Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии


^ Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Володин Виктор Михайлович.


Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Юркевич Евгений Владимирович;


доктор технических наук, профессор Дорохов Игорь Николаевич;


доктор технических наук, профессор Большаков Александр Афанасьевич.


^ Ведущая организация: ФГУП ИРЕА Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт

химических реактивов и особо чистых химических веществ, г. Москва.


Защита состоится « 20 » мая 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.


Автореферат разослан «___» _________ 2010 г.


Ученый секретарь совета

д.т.н., проф. Латышенко К.П.
^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В рамках общей концепции долгосрочного развития РФ происходит изменение объективных условий функционирования промышленных организаций, связанное с ростом их размеров и сложности, возникает необходимость модернизации процессов переработки сырья, оптимальной координации элементов производства, совершенствования структуры систем управления. Актуальным является комплексный анализ производственного цикла предприятий, научно обоснованный подход к построению интеллектуально ёмких систем автоматизированного управления в химической и смежных отраслях промышленности.

В диссертации систематизированы результаты теоретических и экспериментальных разработок автора в области исследования технологических систем высокой сложности в рамках распределённых автоматизированных систем управления (АСУ) с иерархической структурной организацией. В качестве объекта исследования принят ряд химико-технологических процессов многостадийного производства промышленного продукта из ископаемого сырья. При разработке и эксплуатации объектов выделенного класса – сложных технологических систем (СТС) возникает необходимость учёта их специфических свойств, существенное значение приобретают экономические факторы, повышенное внимание к экологии производства, требуется пересмотр методологии решения проблемных задач на основе комплексного подхода к созданию интегрированных АСУ. Возможность получения новых механизмов межуровневого взаимодействия в децентрализованных иерархических системах является основой создания единого информационного пространства предприятий, ведёт к интенсификации производства.

Исходные положения проблем управления структурно и технологически сложными системами изложены в работах Д. Мако, М. Месаровича и др. Существенный вклад в развитие методов оптимизации сложных систем с использованием методов декомпозиции внесли Дж. Лэсдон, В.И. Цурков и др. Теоретические начала построения организационных систем опираются на информационную теорию иерархических систем и теорию кооперативных игр (Ю.Б. Гермейер, Н.Н. Моисеев и др.). Моделированию и оптимизации химико-технологических процессов (ХТП) посвящены работы В.В. Кафарова, В.М. Володина, В.С. Балакирева, В.П. Мешалкина и др. Непрерывные процессы химической технологии отличаются высокой степенью автоматизации, однако, в условиях узкой специализации применяемого оборудования и высокой материало- и энергоёмкости, позволяют разрабатывать новые научные подходы к их интенсификации и автоматизации. В большей степени подобное характерно для не типовых химико-технологических процессов. Специфика моделирования и управления СТС до настоящего времени не выделена как самостоятельная сфера, преобладают подходы, базирующиеся на использовании традиционных АСУ, отличающихся разобщенностью отдельных уровней и контуров управления. Исследование возможностей и расширение областей применения декомпозиционного подхода и, в частности, методов явной декомпозиции, к синтезу открытых систем иерархически-взаимосвязанного управления производственными комплексами, к настоящему времени не нашли широкого применения во многих отраслях промышленности. Разработка научно-теоретических и методологических основ создания децентрализованных иерархических высокотехнологичных систем со сложным взаимодействием элементов требует дополнительного изучения и расширения сферы их использования на практике.

В основе подхода автора диссертационной работы к управлению СТС переработки природного сырья лежит обоснованное целенаправленное выделение подсистем, их анализ и моделирование, разработка методики эффективной реализации метода явной декомпозиции для синтеза взаимосогласованных управляющих подсистем. В диссертационной работе проводится исследование экологически направленных многостадийных производственных процессов очистки от примесей и производства активированных углей. Обобщённый научный подход к построению систем автоматизированного управления позволяет модернизировать процессы производства качественных продуктов с использованием новых информационных технологий, получить синергетический эффект на основе закономерностей взаимодействия элементов СТС. Задача поиска общих закономерностей при анализе и синтезе методов управления сложными технологическими процессами в химической и смежных отраслях промышленности – одна из наиболее актуальных задач научных исследований.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой научно-технической программой “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002 – 2006 годы” по направлению “Каталитические системы и технологии”; федеральной целевой программой “Интеграция науки и высшего образования России на 2002 – 2006 годы” (постановления Правительства РФ от 21.08.2001; от 05.09.2001).

Автор выражает благодарность проф. В.М. Володину за плодотворные научные консультации и содействие в проведении работы.

Целью диссертационной работы является интенсификация производственного цикла промышленных предприятий по переработке природного сырья, что предполагает решение важной научной проблемы создания методов и алгоритмов управления сложными технологическими процессами на основе иерархически-взаимосвязанных систем автоматизации, имеющей важное хозяйственное значение.

Названная цель определила постановку следующих задач:

• выявления способов повышения интенсификации систем управления многостадийными производственными процессами;
  
• учёта особенностей многостадийных процессов в химической технологии и ограниченной исходной информации при разработке методов построения их комплексных математических моделей;
  
• выбора существенных связей и факторов с помощью особенностей метода явной декомпозиции и формирования способов повышения интенсивности функционирования выделенных подсистем;
  
• обоснования условий интенсификации процессов переработки природного сырья, и модернизации многофункциональных схем получения высококачественного стандартизованного продукта;
  
• разработки и реализации алгоритмов управления технологическими объектами как составными частями производственного цикла промышленных предприятий, имеющими в своём составе сложные по функциональному назначению и комплексным параметрам структуры со специфическими свойствами;
  
• интеграции существующих систем автоматизированного управления с новыми решениями оптимизационных задач на основе использования предлагаемых средств измерений, управления и информационных технологий для внедрения в практику технологических предложений и разработанных принципов, методов и алгоритмов.
  

^ Методы исследования основаны на положениях теории моделирования и идентификации технологических процессов, теории выбора и принятия решений, общей теории систем и системного анализа в управлении, методах химической кибернетики.

^ Научная новизна работы состоит в создании методов и алгоритмов иерархического управления сложными технологическими системами и включает:

• выявление условий иерархичности, открытости, взаимосогласованности и избирательности, определяющих возможности систематизации и разработки способов автоматизированного управления сложными технологическими системами;
  
• обоснование уровней декомпозиции системы управления и реализацию итерационного многоуровневого процесса разбиения сложной системы для реализации управления с меньшими затратами и получения решений, близких к оптимальным;
  
• построение аппроксимационных моделей многостадийных химико-технологических процессов, позволяющих получать устойчивые решения в условиях ограниченной исходной информации;
  
• создание методов согласования решения локальных задач с внутриуровневыми конфликтами и оптимумом на границе области допустимых решений при введении аппроксимаций в ограничениях и целевых функциях;
  
• формирование требований к объектам управления в химической и смежных отраслях промышленности с помощью выявленных основных классификационных признаков сложных технологических систем.
  

^ Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов обеспечивается использованием фундаментальных законов ведения физико-химических процессов, корректным применением математических методов анализа таких процессов и синтеза систем управления, результатами численных и экспериментальных исследований.

^ Практическая ценность работы определяется решением следующих задач:

• определены факторы образования технологического ресурса и обоснование возможностей интенсификации работы производственных систем в химико-технологических производствах;
  
• предложены алгоритмы унификации метода явной декомпозиции при управлении сложными технологическими системами с учётом выбранных связей, особенностей локальных задач и процедуры их взаимосогласованного решения;
  
• предложены математические модели, позволившие построить сложные системы управления активацией углеродосодержащих материалов и очисткой от примесей рудного сырья в условиях ограниченной выборки исходных данных;
  
• обосновано повышение эффективности управления очисткой рудного сырья с помощью математических моделей этих процессов, построенных по данным анализа многокомпанентных растворов;
  
• разработана и реализована система управления производством активированных углей в каскаде вращающихся печей с согласованием работы подсистем по нагрузке, позволяющая повысить эффективность управления;
  
• решена задача автоматизированного управления печами с двигающимся вертикальным слоем по материальным газовым и тепловым потокам на базе применения современных математических методов и информационных технологий;
  
• материалы диссертации использованы в учебном процессе при чтении лекций в МГУИЭ, при выполнении курсовых работ, дипломном проектировании, исследовательских программах.
  

^ Практическая ценность подтверждена внедрением разработанных методик и алгоритмов управления в ОАО «Сорбент» г. Пермь, ОАО «Электростальский химико-механический завод», НПО «Химавтоматика», использованием на опытном производстве «Института проблем нанотехнологий РАЕН» г. Пермь и применением при проектировании цеха активированных углей в Сирийской Арабской Республике.

^ На защиту выносятся следующие новые результаты, полученные автором:

• обобщенный подход, определяющий возможности интеграции и взаимного согласования функций подсистем, позволяющий интенсифицировать работу средств автоматизации управления сложными технологическими процессами переработки природного сырья;
  
• схема взаимосогласованного управления взаимосвязанными подсистемами с реализацией алгоритмов явной декомпозиции и аппроксимацией сложных алгоритмических зависимостей при оптимизации многостадийных процессов с однородными и неоднородными стадиями;
  
• метод построения математической модели сложного многомерного объекта управления с учётом технологических ограничений на число экспериментальных данных и высоких требований по качеству многоассортиментной продукции;
  
• методика управления многоэлементными объектами на основе анализа совокупности с выработкой управляющих решений, направленных на рост эффективности и увеличение срока службы технологического оборудования.
  

^ Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях «Математические методы в химии» (Тула, 1993) и «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (Тула, 2007); Международных конференциях: «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (Москва, 1994), «Математические методы в химии и химической технологии» (Тверь, 1995), «Инженерная защита окружающей среды» (Москва, 2000, 2002), «Математические методы в технике и технологиях» (Смоленск, 2001); «Системный анализ в проектировании и управлении» (Москва, 2006), «Индустриально-инновационное развитие – основа устойчивой экономики Казахстана» (Шымкент, 2006); Международной конференции по химической технологии «Химическая технология» (Москва, 2007); Научно-технической конференции МГАХМ, (Москва, 1995); Международной студенческой школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Москва, 2000).

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 50 научных работ, 13 из которых в журналах, рекомендованных ВАК, две монографии. Автору принадлежат систематизация, разработка и практическое обоснование использования методов иерархического управления сложными промышленными объектами, 19 работ написано лично автором, остальные выполнены в соавторстве, многие с В.М. Володиным.

^ Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Она содержит 291 страницу машинописного текста, 12 таблиц, 54 рисунка, библиографию из 265 наименований.