|
МІНІСТЕРСТВО ПРОМИСЛОВОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ
Науково-виробнича корпорація
“Київський інститут автоматики”
КРИВОРУЧКО Олена Володимирівна
УДК 519.21:681.142
ІНТЕГРОВАНІ СИСТЕМИ
РОЗРАХУНКУ ТА ОПТИМІЗАЦІЇ
ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ
ПІДПРИЄМСТВ ЦУКРОВОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ
05.13.06 - автоматизовані системи управління та
прогресивні інформаційні технології
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Київському національному торговельно-економічному університеті, кафедра економічної кібернетики.
Захист відбудеться 04.06.2003 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.818.01 НВК “Київський інститут автоматики” за адресою: 04107, Київ-107, вул. Нагірна, 22, корп. 1.
Відзиви на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи, просимо надсилати за адресою: 04107, Київ-107, вул. Нагірна, 22, НВК “КІА”, вченому секретарю.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НВК “Київський інститут автоматики”.
Автореферат розісланий 30.04.2003 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук Л.П. Тронько
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. У відомій літературі досить рідко зустрічаються роботи, присвячені розробленню принципів і методів побудови системи автоматизованого інтегрованого управління технологічними комплексами (ТК) цукрового виробництва з урахуванням техніко-економічних показників (ТЕП) і параметрів якості готової продукції на базі комп’ютерно-інтегрованих автоматизованих систем, об’єднаних у мережі різного рівня та призначення, хоча, на наш погляд, дана проблема є вельми важливою, а її розв’язання може принести суттєвий економічний ефект.
Успішне рішення задачі статичної оптимізації підсистем цукрового виробництва та координації їх узгодженої роботи дає змогу використати методи оптимізації для зменшення розмірності загальної оптимізаційної задачі та потрібного для її вирішення часу роботи ЕОМ і забезпечити економію обчислювальних ресурсів та їх надійність.
Ефективність використання методів декомпозиції значною мірою залежить від структуризації загальної задачі управління. В даному випадку виникає проблема оптимального розбиття технологічного комплексу на підсистеми, розроблення загальних методів побудови оптимальної структури як основи створення комп’ютерно-інтегрованих виробництв у цукровій промисловості.
Впровадження у виробництво нової методології вибору і обґрунтування критеріїв оптимального управління технологічним комплексом цукрового виробництва, алгоритмів розрахунку ТЕП такого комплексу, прийняття на основі теоретичних розроблень даної дисертаційної роботи науково-обґрунтованих рішень щодо створення системи оптимального управління цукровим виробництвом дозволяє класифікувати її як актуальну, спрямовану на розв’язання важливої науково-технічної задачі підвищення ефективності функціонування підприємств цукрової промисловості.
Об’єкт дослідження – технологічні комплекси цукрового виробництва.
Предмет дослідження – розрахунок та оптимізація техніко-економічних показників технологічного комплексу цукрового виробництва.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до планів науково-дослідних робіт Київського національного торговельно-економічного університету (кафедра економічної кібернетики). Окремі теоретичні результати, математичні моделі та алгоритми отримані в процесі виконання робіт за темою 6.2/00068 “Розробка математичних моделей і алгоритмів прийняття рішень при оптимізації процесів обробки інформації в системах управління і зв’язку з використанням ситуаційних пріоритетів” Державної науково-технічної програми 06.02 “Нові технологічні засоби підтримки і прийняття рішень”.
Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є розроблення основних принципів функціонування, оптимальної структури, системи розрахунків техніко-економічних показників, математичних моделей та алгоритмів їх оптимізації для комп’ютерно-інтегрованих автоматизованих систем управління технологічними комплексами цукрового виробництва.
Для досягнення поставленої мети розв’язуються такі основні задачі:
- системний аналіз технологічного комплексу цукрового виробництва;
- вибір, обґрунтування та формування техніко-економічних показників окремих підсистем і всього технологічного комплексу цукрового виробництва;
- формування критеріїв оптимального управління технологічним комплексом в цілому та його підсистемами;
- розроблення математичних моделей процесів взаємодії структурних елементів технологічних комплексів;
- розроблення математичних моделей для задач оптимального управління;
- розроблення математичних методів і обчислювальних алгоритмів стабілізації оптимальних параметрів керованих систем;
- розроблення алгоритмів координації роботи підсистем технологічного комплексу цукрового виробництва;
- розроблення функціональної структури мікропроцесорної системи управління з урахуванням визначених задач, показників якості продукції та техніко-економічних показників.
Методи досліджень. Теоретичні дослідження при розробленні методів, моделей та алгоритмів оптимізації функціонування технологічних комплексів цукрового виробництва базуються на методах теорії систем і системного аналізу, математичного програмування (лінійного й нелінійного), теорії автоматичного управління, кібернетичного моделювання, теорії графів, автоматизованого проектування, управління проектами, обчислювальної математики.
Наукова новизна отриманих результатів. В роботі вперше отримано множину взаємозв’язаних аналітичних моделей для розв’язування задач оптимізації підсистем технологічного комплексу цукрового виробництва та координації їх роботи. Розроблені оригінальні алгоритми декомпозиції задач управління підсистемами технологічних комплексів по “вертикалі” (ієрархічні рівні) та “горизонталі” (технологічний потік), алгоритм формування структури системи управління. Для технологічного комплексу цукрового заводу розроблена дворівнева система оптимального управління за взаємозв’язаними критеріями, що складається з систем локального регулювання на нижньому рівні та системи комп’ютерного оптимального управління на верхньому. Вперше запропонована структура комп’ютерно-інтегрованого управління технологічним комплексом цукрового заводу на базі мікропроцесорних контролерів та ПЕОМ, об’єднаних у локальні інформаційно-обчислювальні мережі.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблені математичні моделі, методи і алгоритми дозволяють суттєво поліпшити економічні показники функціонування технологічного комплексу цукрового виробництва за рахунок мінімізації витрат енергоресурсів, підвищення якості кінцевого продукту, зниження питомих витрат сировини, інших витратних компонентів технологічного процесу. Всі оптимізаційні задачі, які розв’язуються в дисертації, мають чіткі економічні критерії та ґрунтуються на аналізі реальних процесів управління технологічними процесами цукрового виробництва. Отримані в роботі результати реалізовані на практиці при створенні систем управління цукровими заводами (Миронівським, Кобилякським) та у навчальному процесі КНТЕУ і НУХТ при підготовці фахівців з комп’ютерних технологій. Результати дисертаційних досліджень використано в розроблених за участю здобувача “Рекомендаціях щодо створення автоматизованих технологічних комплексів у складі комп’ютерно-інтегрованих систем”, затверджених Держхарчопромом України від 10.05.2000р.
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і результатів. Наукові положення, висновки і рекомендації дисертації обґрунтовані коректним застосуванням математичного апарата, успішною програмною реалізацією розроблених алгоритмів, вони перевірені за допомогою обчислювальних експериментів та у процесі експлуатації реальних систем управління, це продемонстровано достатньою збіжністю теоретичних розрахунків та експериментальних даних і результатів спостережень.
Апробація результатів. Результати досліджень доповідалися на 8-й та 9-й міжнародних конференціях з управління (“Автоматика-2001”, м. Одеса, 2001р.; “Автоматика-2002”, м. Донецьк, 2002р.), на VII міжнародній науково-технічній конференції “Пріоритетні напрямки впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання і нових видів продуктів оздоровчого та спеціального призначення (м. Київ, 2001р.)”, на Міжнародній конференції, присвяченій 45-річчю Київського інституту автоматики (м. Хмельницький, 2002р.), на засіданні постійно діючих семінарів наукової ради з проблеми “Кібернетика” НАН України: “Організація програмного забезпечення АСУ”, “Організація управління гнучкими виробничими системами” (1999-2002 рр.), на конференціях професорсько-викладацького складу КНТЕУ (2000-2002 рр.).
Публікації. Результати досліджень опубліковані у 8 друкованих працях, серед яких 2 статті в наукових журналах, 2 статті в наукових збірниках праць, 4 матеріали наукових конференцій.
Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційного дослідження, подані до захисту, отримані здобувачем особисто. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, здобувачу належать математичні моделі та алгоритми управління технологічними комплексами цукрового виробництва.
Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків і додатків, які містять документи щодо впровадження результатів роботи. Обсяг роботи – 190 сторінок, в тому числі: ілюстрації – 11 сторінок, додатки – 14 сторінок. Список використаних літературних джерел на 11 сторінках налічує 131 найменування.
Основний зміст дисертації
У вступі обґрунтовується актуальність проблеми створення інтегрованої системи розрахунку техніко-економічних показників підприємств цукрової промисловості і формулюються: мета, основні задачі дослідження, наукова новизна і практична значущість роботи, її апробація та публікації основних результатів досліджень в наукових фахових виданнях.
У першому розділі викладено аналіз технологічних комплексів цукрової галузі як об’єктів управління, котрі складаються із взаємозв’язаних підсистем у відповідності до технологічного процесу.
Визначаючи особливості технологічних комплексів як об’єктів управління, враховується також висока розмірність загальної задачі оптимізації, що обумовлена великою кількістю координат векторів стану, вихідних змінних, збурень та управлінь. Крім того, при управлінні в реальному масштабі часу, тобто при оперативній оптимізації, виникає необхідність змінювати не тільки матеріальні та енергетичні потоки між підсистемами, але й режими їх роботи.
ТК цукрової промисловості працюють в умовах змінної якості сировини (буряків, вапна, фільтраційних матеріалів), що потребує оперативної зміни технологічних режимів роботи, коригування критеріїв управління відділень і ТК в цілому. При розробці системи управління комплексом в цілому необхідно також враховувати планові й позапланові (аварійні) зупинки виробництва, зміну параметрів технологічних процесів та ін. Таким чином, виникає необхідність своєчасного виявлення та прогнозування порушень технологічних режимів і значних відхилень окремих параметрів. Особливої уваги при цьому заслуговують енергетичні установки і об’єкти: парові котли, дифузійні та випарні установки, сушарки цукру та жому, вакуум-апарати та ін.
У даній роботі розглядається задача розробки комп’ютерно-інтегрованої системи розрахунків і оптимізації техніко-економічних показників з урахуванням поточного стану ТК і показників якості роботи окремих підсистем (відділень), якості сировини і вихідної продукції відділень та готової продукції технологічного комплексу з метою підвищення економічних показників цукрового заводу, що має важливе значення в умовах ринкової економіки і конкурентних відношень.
Із проведеного аналізу випливає, що для кожного конкретного ТК цукрового виробництва слід розробляти певну оптимальну структуру системи управління, яка враховує технологічні особливості об’єкта.
У другому розділі роботи викладено результати дослідження процесів функціонування технологічного комплексу та багаторівневих систем управління.
Головним напрямком вдосконалення систем автоматизації є заміна традиційних контурів регулювання і управління сучасними мікропроцесорними засобами та програмно-технічними комплексами з одночасним вдосконаленням функціональної структури, розширенням виконуваних операцій, баз даних, підвищенням інформативності і розширенням алгоритмічного та інформаційного забезпечення.
Важливим і навіть визначальним моментом при оптимальному управлінні ТК є вибір критерію оптимізації, який забезпечив би досягнення найкращих результатів роботи ТК, при цьому завод мав би можливість узгодити локальні цілі для окремих підсистем (агрегатів) із загальною метою для технологічного комплексу в цілому. Критерій оптимізації пов’язує різні показники: економічні, техніко-економічні, технічні та ін.
Оцінку функціонування ТК з системою управління найбільш доцільно виконати на основі узагальненого економічного показника, наприклад прибутку
 , (1)
де Tзв – звітний період часу; Fк, Цк – обсяг випуску та ціна одиниці продукції, к-го типу; Зе – затрати на випуск продукції елемента е-го типу; m – кількість видів продукції; n – кількість статей витрат.
В наведеному вигляді критерій (1) непридатний для задач оперативного управління, на його основі незручно виконувати декомпозицію загальної задачі управління ТК, тому він модифікується до критерію – економічної ефективності Ез підсистем технологічного комплексу з урахуванням основних параметрів ТК за певний період часу оперативного управління
 , (2)
де Т – інтервал часу оперативного управління; Зез – затрати на випуск продукції; Fкз,, Цкз – відповідно обсяг випуск та ціна одиниці продукту (напівфабрикату) на m-й підсистемі; е – індекс певних затрат.
Виходячи із загальної задачі управління ТК і декомпозиції задач управління підсистемами, загальну систему розрахунків ТЕП доцільно розробляти як систему управління за багаторівневим принципом.
Головні задачі оперативного управління, розрахунки техніко-економічних показників відділень і технічного комплексу вирішуються на верхньому рівні при відповідному оснащенні електронно-обчислювальною технікою. Найбільш доцільним критерієм управління ТК цукрового виробництва є економічний критерій, який розраховується з урахуванням масових потоків, ціни вхідних продуктів і їх показників якості.
У третьому розділі розглядаються питання вибору та обґрунтування критерію оптимального управління технологічним комплексом цукрового заводу, який відповідає наведеній вище постановці задачі управління.
Визначальним і головним чинником при виборі критерію є можливість його використання для задач оперативного оптимального управління як відділеннями, так і технологічним комплексом у цілому. З цієї точки зору для технологічного комплексу цукрового заводу найбільш доцільно використати узагальнений показник – прибуток, що має сутність економічних показників (1) і (2).
Для цукрового виробництва, основними вихідними продуктами якого є цукор, меляса і жом, формування прибутку за інтервал ∆ t = t2 – t1 визначається виразом
 dt, (3)
де Fц , Fм , Fж - вихід цукру, меляси та жому, т/год; Цц ,Ц м ,Цж - ціна цукру, меляси та жому, грн.;  - сумарні затрати, грн./год , що складаються із затрат на сировину (З1), допоміжні матеріали (З2), паливо (З3), зарплату (З4), утримання та експлуатацію обладнання (З5), розробку та утримання систем управління (З6 ), цехові затрати (З7), загально заводські затрати (З8) тощо. Затрати З1, З2, З3 пов’язані з технологічними процесами і залежать від режимів робіт, навантажень і продуктивності заводу.
Для основних технологічних відділень у роботі наведені показники економічної ефективності, які є органічною частиною прибутку за оперативний проміжок часу, що дає кількісну оцінку випуску основної продукції, затрат на окремих стадіях, з урахуванням цін на сировину, паливо та допоміжні матеріали, затрат на окремих стадіях виробництва, витрат допоміжної продукції та загального прибутку технологічного комплексу цукрового заводу.
Так, процес очистки дифузійного соку багатостадійний, до складу якого входять: переддефекація, холодна та гаряча дефекація, перша сатурація, переддефекація перед другою сатурацією та друга сатурація. Кожна стадія характеризується складними фізико-хімічними процесами і для кожної стадії існує оптимальний режим. Проте, для задачі управління технологічними процесами сокоочистки розглянемо стадію очистки дифузійного соку як один об’єкт. Економічність процесу очистки можна записати у вигляді
 ( )Цц–  Fсс *
*    dt , (4)
де Fсо, Fдс, Fв – витрати відповідно очищеного соку, дифузійного соку та вапна, т/год; Кі – умовно–постійні коефіцієнти; Пф , Пн – втрати цукру з фільтраційним осадом та невраховані втрати; Цц , Цм , Цв – оптові ціни відповідно цукру, меляси та вапна, грн..; СРс – вміст цукру в дифузійному сокові, %;  , , – доброякісність дифузійного соку відповідно до та після сокоочистки, меляси.
При оптимізації випарної установки економічність процесу визначається виразом:
 , (5)
де Птр, Пк – втрати цукру відповідно при термічному розкладанні та при зростанні забарвлення, т/год; ДЦц – зміна ціни цукру, яка пов’язана з його якістю (забарвленням), грн.;  ;  – відповідно сумарні затрати на паливо, воду, електроенергію, амортизаційні відрахунки, зарплату та затрати, розраховані на інших дільницях, грн./год.
Показники економічності для процесів в інших підсистемах наведено в дисертаційній роботі.
Для здійснення оптимального управління технологічним комплексом цукрового виробництва розроблені математичні моделі статики з урахуванням експериментальних даних та критеріїв оптимізації основних технологічних підсистем цукрового виробництва. Для відділень сокодобування, сокоочистки та випарювання соку контролювалися основні технологічні параметри як автоматично, так і лабораторними методами протягом трьох діб із дискретністю 15 хв. Попередня обробка експериментальних даних проводилася в три етапи. На першому етапі формувалися масиви вхідних даних (аргументів) та вихідних змінних, визначались взаємозв’язки між цими величинами, ступінь впливу вхідних величин на вихідні. На другому етапі з використанням експертних оцінок аналізувались отримані дані на предмет їх відповідності робочому діапазону, тобто нормальному проходженню технологічного процесу. Визначалися межі областей значень вхідних і вихідних змінних. На третьому етапі визначались оптимальні запізнення (зсуви) для аргументів моделей. Зміст цієї операції полягає в тому, що визначається реакція об’єкта на збурення, яке проходить через об’єкт з урахуванням ємкісних та транспортних запізнень.
Аналіз отриманих моделей відділень показав, що для квазістаціонарних процесів адекватність регресивних моделей достатня при урахуванні складних мультиплекативних взаємодій параметрів технологічних процесів.
Для одержання більш складних і точних моделей з необхідними оцінками адекватності доцільно використати метод групового урахування аргументів (МГУА). Алгоритми і моделі МГУА, як і інші методи ідентифікації об’єктів за даними експериментів чутливі до похибок вимірювання параметрів. Тому в алгоритмах МГУА для підвищення їх стійкості до похибок вимірювань введені елементи робастності (стабільності) статичних оцінок.
Математичні моделі, одержані за допомогою метода групового урахування аргументів, у порівнянні з моделями, що були отримані за допомогою пакета статистичної ідентифікації “PLAN”, дали вищу точність апроксимації статистичних даних вектора аргументів для основних вихідних технологічних параметрів. Порівняння проводилося за значеннями середньоквадратичної похибки у і за коефіцієнтами взаємної кореляції між прогнозуючою математичною моделлю і елементами вектора вихідних аргументів. Так, середньоквадратична похибка при визначенні втрат цукру в жомі за методом МГУА складає 0,25, а з використанням пакета "PLAN"– 1,231.
Точність апроксимації експериментальних даних моделями оптимізації по МГУА значно вища (в середньому на порядок) в порівнянні з моделями за пакетом “PLAN”. Отримані математичні моделі можуть використовуватися для задач оперативного управління, про що свідчать роботи, виконані раніше, де використовувались аналогічні моделі.
Точність апроксимації експериментальних даних достатня для використання одержаних моделей як за допомогою пакета “PLAN” , так і за алгоритмами МГУА при оптимізації систем управління ТК цукрового виробництва.
Використовуючи економічні критерії і математичні моделі для рішення задач оптимального управління ТК, доцільно вибрати дворівневу ієрархічну систему управління, в якій для рішення задач оптимального управління ТК необхідна ієрархічна дворівнева система, в якій на нижньому рівні ведеться оптимізація підсистем ТК, а на верхньому – координація роботи підсистем у відповідності до глобального критерію. Проведений аналіз функціонування технологічного комплексу цукрового виробництва показав, що узагальнений економічний показник прибутку є найдоцільнішим критерієм оптимального управління ТК. Його можна розрахувати для будь-якого проміжку часу та провести його декомпозицію у вигляді задач локальної оптимізації підсистем ТК.
У четвертому розділі приведена розробка алгоритмів розрахунку техніко-економічних показників та координації підсистем технологічних комплексів. Узгодження задач управління підсистемами ТК або ж координація їх роботи полягає у визначенні взаємодії підсистем як по горизонталі, так і по рівням ієрархії, при яких управління, оптимальне за критеріями ефективності кожної з підсистем, є також оптимальним за загальним економічним критерієм для технологічного комплексу в цілому. Координація задач управління є специфічною задачею ієрархічної системи управління і для її рішення використовується низка принципів, на яких засновані ітеративні й безітеративні процедури розв’язування поставлених задач.
У загальному випадку управління ТК, які характеризуються великою кількістю технологічних та інформаційних зв’язків між підсистемами, наявністю множини управляючих дій і збурень та відсутністю потрібних математичних моделей, призводить до необхідності використання багаторівневого підходу, реалізація якого пов’язана з декомпозицією об’єкта управління Р на ряд підсистем {Pi},  , кожна з яких має свою локальну функцію мети
 (6)
та вектор-функцію вихідних координат
 , (7)
де Ui – вектор управлінь; Xi – вектор взаємодій, що враховує вплив на і-ту підсистему з боку інших підсистем; Zi – вектор збурень; Щi – множина виділених підсистем.
Загальна задача оперативної оптимізації статичних режимів ТК при умові адитивності загальної функції мети записується так:
 . (8)
Для реальних ТК цукрових виробництв задачі (7), (8) характеризуються великою кількістю змінних Uі та Xі, множиною обмежень у вигляді рівностей (7) та (8), нелінійними характеристиками підсистем і вимагає особливих методів розв’язання з використанням багаторівневого підходу.
Таке представлення задачі відповідає багаторівневій структурі підзадач, нижній рівень якої створюють задачі оптимізації окремих підсистем, а на верхніх рівнях здійснюється координація взаємодії між підзадачами нижнього рівня.
Розв’язок задач (6)-(8) відповідає координатам сідлової точки функції Лагранжа
 . (9)
На рис. 1. показана схема алгоритму розрахунку техніко-економічних показників (ТЕП) технологічного комплексу цукрового виробництва. Перш за все проводиться збір необхідної технологічної інформації за допомогою автоматичних засобів та результатів лабораторного аналізу хіміко-технологічних показників.
Далі проводиться розрахунок глобального критерію ТК – прибутку за певний проміжок часу. Якщо фактичний прибуток Пф більший або рівний розрахунковому прибутку Проз, то проводиться подальший циклічний розрахунок ТЕП усіх підсистем (відділень ТК) з метою прогнозування відхилень економічних та виробничних показників у підсистемах. У випадку, коли фактичний прибуток менший за розрахунковий, проводиться пошук оптимальних режимів функціонування відповідних підсистем, а глобальний критерій виступає у ролі координатора роботи усіх підсистем.
Ні
Так
| 
