Автоматизоване управління дифузійною станцією з підсистемою підтримки прийняття рішень

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизоване управління дифузійною станцією з підсистемою підтримки прийняття рішень

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Вилучення цукру з бурякової стружки - один з основних процесів цукрового виробництва, що значною мірою впливає на собівартість продукції, витрати енергетичних ресурсів та втрати цукру. Незважаючи на досить просту технологічну схему, процес висолоджування є складною системою, в якій відбуваються різноманітні масообмінні, теплообмінні та фізико-хімічні процеси.

На більшості цукрових заводів керування дифузійною станцією відбувається із застосуванням системи автоматизації, що побудована на базі сучасної мікропроцесорної техніки. Ці системи надійно підтримують регламентовані значення основних технологічних параметрів (температурні режими, матеріальний баланс, рівень, тиск, рН та ін.). Проте існуючі системи автоматизації не завжди можуть адекватно реагувати на порушення технологічного режиму. Це можна пояснити тим, що поза увагою системи автоматизації залишається цілий ряд неконтрольованих параметрів, що суттєво змінюють технологічний режим станції і погіршують якісні показники її роботи. До них насамперед належать показники якості сировини та стружки, процеси переміщення стружки в ошпарювачі і колоні, а також завантаження апаратів. У разі виникнення порушень технологічного режиму необхідно скоригувати значення технологічних параметрів. За відсутністю алгоритмів автоматичної корекції, рішення щодо їх змінення повинен приймати оператор. Ефективність прийнятих ним рішень залежить від його професіоналізму, вміння швидко виявити причину порушення і виробити адекватні дії оперативного реагування. Складність прийняття рішення зумовлена тим, що зміна технологічного режиму може відбутись під впливом різних слабоформалізованих факторів, а підтримати якісні показники процесу можна зміненням різних взаємопов'язаних параметрів.

Враховуючи складність технологічного процесу висолоджування та сезонність роботи цукрового заводу, існуючі системи автоматизації доцільно доповнити підсистемою підтримки прийняття рішень, яка б допомагала оператору правильно оцінити ситуацію і прийняти відповідне управлінське рішення. Розв`язання цієї задачі є актуальною науковою проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами планами, темами. Дисертація виконана згідно плану науково-дослідних робіт кафедри автоматизації і комп`ютерно-інтегрованих технологій НУХТ «Наукові основи створення автоматизованих систем управління для комп `ютерно-інтегрованих виробництв харчової промисловості» та в рамках науково-дослідної роботи Міністерства освіти і науки України «Створити наукові основи управління біотехнологічними процесами харчових виробництв на основі принципів самоорганізації та адаптації» (№ державної реєстрації 0104U000849).

Мета і задачі дослідження. Метою роботою є підвищення ефективності функціонування дифузійної станції для забезпечення якісних показників процесу висолоджування шляхом удосконалення системи автоматизованого управління процесом дифузії за рахунок розробки і включення до її складу підсистеми підтримки прийняття рішень.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- розробити методику отримання та систематизації експертних даних для формування бази знань та алгоритмів вибору параметрів і характеру їх змінення для корекції якісних показників роботи дифузійної станції;

- розробити продукційну модель процесу висолоджування у колонних дифузійних апаратах;

- розробити алгоритми логічного виведення рекомендованих рішень для коригування технологічних параметрів у системі управління дифузійною станцією;

- розробити методи та алгоритми вибору продуктивності дифузійної станції і формування плану переробки цукрового буряка з метою мінімізації загальних втрат цукру у процесі зберігання і переробки;

- розробити структуру, алгоритмічне та програмне забезпечення підсистеми підтримки прийняття рішень для коригування технологічних параметрів і шляхи її інтеграції у діючі автоматизовані системи управління дифузійною станцією.

Об`єктом дослідження є масообмінні, теплообмінні і фізико-хімічні процеси, що відбуваються під час висолоджування цукру зі стружки цукрового буряка і задачі автоматизованого управління ними.

Предметом дослідження є розробка методів, моделей та алгоритмів, які можуть бути покладені в основу створення підсистеми підтримки прийняття рішень в автоматизованій системі управління дифузійною станцією.

Наукова новизна. В процесі вирішення поставлених задач одержано наукові результати:

- вперше з використанням методики структурного аналізу та проектування (SADT) розроблено функціональну модель дифузійної станції, на основі якої отримано та систематизовано експертні дані для розробки методів та алгоритмів пошуку та корекції технологічних показників, що увійшли до бази знань підсистеми підтримки прийняття рішень;

- вперше розроблено продукційну модель процесу дифузії для вироблення рекомендацій щодо змінення технологічних параметрів з метою забезпечення якісних показників роботи дифузійної станції за умови підтримання заданої продуктивності в системі автоматизованого управління;

- розроблено методи та алгоритми логічного виведення рекомендацій оператору в системі управління дифузійною станцією на основі результатів регресійного аналізу та методів вибору рішень з врахуванням домінуючих критеріїв;

- вперше з використанням теорії ігор розроблено алгоритм управління продуктивністю дифузійної станції, що дає змогу мінімізувати загальні втрати цукру під час його зберігання і переробки;

- запропоновано нові підходи до автоматизації дифузійної станції шляхом доповнення існуючих систем підсистемою підтримки прийняття рішень, яка на основі інформації, отриманої від системи автоматичного контролю, оператора (про результати візуального огляду обладнання) та даних сировинної і заводської лабораторії, формує рекомендації щодо коригування технологічних параметрів з метою підтримання якісних показників процесу дифузії.

Практичне значення та реалізація отриманих результатів.

Одержані результати можуть бути використані в процесі проектування, розробки та впровадження нових і модернізації існуючих систем автоматизації колонних дифузійних станцій. Запропонована методика розроблення функціональних моделей для збору та систематизації експертної інформації, алгоритмів логічного виведення з використанням прогнозуючих моделей може бути використана для аналізу інших об`єктів автоматизації.

Результати роботи пройшли дослідну перевірку на цукрових заводах ВАТ «Шамраївський цукровий завод» та ДП «Агропромцукор» ТОВ «Астарта-Київ». На цих підприємствах, у діючих системах автоматизації були викорис-тані модулі розрахунку оптимальної продуктивності та алгоритми корекції технологічних параметрів і аналізу роботи обладнання.

Результати досліджень використовуються у навчальному процесі при підготовці фахівців з напряму «Автоматизація і комп `ютерно-інтегровані технології».

Особистий внесок у розробку наукових результатів. Дисертація є самостійною роботою автора. Автором проаналізовано наукову літературу з даної проблеми, зроблено висновки, сформульовано задачі досліджень. Автором запропоновано принципово новий підхід до автоматизованого управління дифузійною станцією з використанням підсистеми підтримки прийняття рішень; запропоновано використання методів структурного аналізу (SADT-діаграми) для побудови функціональної моделі дифузійної станції, яка покладена в основу роботи з експертами для наповнення бази знань; самостійно розроблена продукційна модель процесу дифузії; запропоновано методику формування механізму логічного виведення на основі регресійного моделювання і методу вибору рішень з врахуванням кількості домінуючих критеріїв; запропоновано ідею розроблення методики і математичної моделі для визначення продуктивності роботи дифузійної станції і плану переробки цукрового буряку з метою зменшення загальних втрат цукру в процесі його зберігання і переробки. Автором розроблено програмне забезпечення і інтерфейс підсистеми підтримки прийняття рішень для включення її до складу автоматизованого робочого місця оператора-технолога.

Планування основних напрямків роботи, обговорення результатів та підготовка публікацій проходило за участю наукового керівника І.В. Ельперіна, обговорення алгоритмів обробки архівних даних методом регресійного аналізу - за участю д.т.н., проф. А.П. Ладанюка, впровадження системи автоматизації - за участю В.М. Кушкова.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на: Міжнародній науково-технічній конференції «Розроблення та виробництво продуктів функціонального харчування, інноваційні технології та конструювання обладнання для перероблення сільгоспсировини, культура харчування населення» (Київ НУХТ, 2003 р.), IX Міжнародній науково-технічній конференції «Нові технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості: сьогодення та перспективи» (Київ НУХТ, 2005 р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технології» (Чернівці, 2004 р.), XI Міжнародній конференції з автоматичного управління «Автоматика - 2004» (Київ, 2004 р.), на XII Міжнародній конференції по автоматичному управлінню «Автоматика - 2005» (Харків, 2005 р.). Міжнародних наукових конференціях молодих вчених, аспірантів і студентів НУХТ (2002, 2007 рр.)

Публікації. Основні результати роботи викладено у 12 друкованих працях, з яких - 5 статтей у фахових виданнях, що відповідають переліку ВАК, Патент України на корисну модель та 5 тез доповідей.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел (123 найменуваня) і додатків. Загальний обсяг становить 178 стор., з яких зміст викладено на 135 стор. тексту і включає 66 рисунків та 18 таблиць.

Зміст дисертації

алгоритм програмний управління дифузійний

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень. Наведено основні наукові і практичні результати, одержані в процесі виконання роботи, а також основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі проведено аналіз процесу екстрагування цукру з бурякової стружки як об'єкта автоматизації, що складається з двох взаємопов'язаних стадій: молекулярної й конвективної дифузії, ефективність яких залежить від впливу ряду слабоформалізованих факторів. Це ускладнює створення й використання математичної моделі для опису цього процесу. В основі роботи дифузійних апаратів лежить принцип протипотокового вихолоджування, що може бути описаний рівнянням Фіка:

. (1)

Відповідно до рівняння Фіка кількість екстрагованої речовини S пропорційна різниці концентрації соку всередині і поза стружкою (С ? с), часу дифузії Z, температурі екстрагування Т_m, площі шару F і обернено товщині шару, тобто довжині шляху дифузії і в'язкості води під час екстрагування з. К₀ - постійна, що не залежить від температури, проте залежить від розміру частинок.

Ефективність роботи дифузійної станції характеризується якісними показниками: концентрацією цукру в дифузійному соку та втратами цукру. При цьому необхідно забезпечувати задану продуктивність роботи станції, яка є визначальною для нормального функціонування заводу в цілому.

Технологічна схема дифузійної станції є складною системою, в якій відбуваються різноманітні масообмінні, теплообмінні та фізико-хімічні процеси, на які впливає багато взаємопов'язаних факторів. Значна кількість цих параметрів є слабоформалізованими та зв'язаними (рис. 1).

Серед факторів, що впливають на процес висолоджування, особливої уваги заслуговують якісні показники стружки, а також зміна її стану в процесі переробки. Наприклад порушення температурного режиму на стадії ошпарювання може призвести до незворотних змін у стружці, що може кардинально змінити процес висолоджування. Це пояснюється тим, що змінення стану стружки суттєво впливає не тільки на процеси молекулярної та конвективної дифузії, а й на процеси переміщення стружки в апаратах, що, у свою чергу, супроводжується зміною часу перебування стружки в апараті, умов висолоджування і, як наслідок, до зміни якісних показників процесу висолоджування. На жаль не існує об`єктивних інструментальних методів оцінки якості стружки і змін її стану, тому визначити фактори, від яких залежать ці зміни, досить складно.

Проведений аналіз показує, що існуючі системи автоматизації не можуть адекватно реагувати на зміни технологічного режиму. Саме тому, незважаючи на високий технічний рівень, сучасні системи автоматизації дифузійною станцією будуються за принципом супервізорного управління. У таких системах важлива роль відводиться оператору-технологу, який повинен оперативно втрутитись у процес управління у разі відхилень технологічного процесу від нормального режиму, з якими не може впоратись система автоматизації. Від рівня його професійності залежить ефективність прийнятих рішень і якість роботи дифузійного відділення.

Аналізуючи особливості технологічного процесу дифузійної станції та беручи до уваги задачі, які повинен виконувати оператор у разі втручання в роботу системи управління, враховуючи рівень його відповідальності за прийняте рішення, а також сезонний характер роботи цукрового заводу, доцільно вдосконалити існуючі системи управління шляхом включення до її складу підсистеми підтримки прийняття рішень (ПППР).

У другому розділі розроблено базу знань, що визначає повноту і ефективність ПППР. Це пояснюється тим, що рішення, яке буде пропонувати оператору ПППР, або безпосередньо перебуває у базі знань, або буде вироблено на основі розміщеній у ній інформації.

Для підвищення ефективності процесу збору експертної інформації розроблено функціональну модель дифузійної станції цукрового заводу. В основу розробки покладено метод структурного аналізу відповідно до технології SADT (Structured Analysis and Design Technique). Дана функціональна модель описує ключові питання, які необхідно вирішити у процесі отримання та обробки експертної інформації для формування бази знань з метою оцінки роботи дифузійної станції. Ці питання можна представити у вигляді множини значень для кожного блоку: вимог до показників і параметрів ідентифікації стану технологічного процесу; параметрів візуального обстеження станції та множини рішень щодо оцінювання можливих змін параметрів (збільшити витрату соку, зменшити частоту обертів, підняти рівень, збільшити температуру…).

Для визначення вимог до показників якості процесу експертами було виділено параметри (цілі) що, на їх думку, найбільш впливають на показники роботи дифузійної станції: втрати цукру з жомом D₁₁, невраховані втрати D₁₂ та якість дифузійного соку D₂. Для кожної цілі експерти виділили множину параметрів, що впливають на досягнення бажаних значень.

Так, для втрат цукру з жомом обрані параметри, за допомогою яких ці втрати можна коригувати: відбір дифузійного соку F_дс, якість стружки W, час дифузії Н₂ і ошпарювання Н₁, а також температурний режим Т:

(2)

Невраховані втрати цукру можна корегувати зміною параметрів: значення рН у колоні Р, часу дифузії Н₂ та температурного режиму Т:

 (3)

У свою чергу якісні показники дифузійного соку можна коригувати: відбором дифузійного соку F, температурним режимом Т та часом дифузії Н₂:

(4)

Враховуючи важливість підтримання заданої продуктивності станції, у процесі експертного опитування було запропоновано визначити вимоги до забезпечення режимів заповнення апаратів стружкою D₃ та її переміщення D_4.

Так, для коригування завантаження стружкою апаратів необхідно змінювати: частоту обертання шнеків V, витрату стружки F_st, та рівень в апараті L:

(5)

У свою чергу переміщення стружки D₄ буде залежати від температурного режиму Т, значення рН в апараті Р, якості стружки W та питомого завантаження апарату D₃:

(6)

Послідовно працюючи з основними блоками функціональної моделі дифузійної станції з урахуванням її декомпозиції, база знань наповнювалась експертною інформацією для подальшого використання у підсистемі підтримки прийняття рішень системи управління дифузійною станцією. Нижче наведено одну з схем для визначення параметрів у процесі формування рекомендацій для коригування показників якості процесу дифузії.

Наповнення бази знань проводили шляхом формування правил продукції. При цьому передбачалось, що кожна залежність утворює множину правил нечітких продукцій: , в яку входить множина вхідних лінгвістичних змінних: , що складається з множини термів лінгвістичної змінної: . З урахуванням вказаних визначень для кожної залежності створено набір таких правил продукцій:

R₁: якщо в₁ рівне А₁ і … і в_m рівне В_m, тоді щ₁ рівне С₁, (7)

R_n: якщо в_m рівне А_m і … і в_m рівне В_m, тоді щ_s рівне С_s,

де: А₁, А_n, В₁, В_m, С₁, С_s - терми лінгвістичних змінних.

Наприклад для визначення доцільності та характеру зміни витрати дифузійного соку, було отримано залежність, що являє собою правила прийняття рішення:

(8)

де: F_дс - витрата дифузійного соку, що може приймати такі значення: f_дс¹ - в нормі, f_дс² - вище норми, f_дс³ - нижче норми, E₁₁ - втрати цукру в жомі і може приймати наступні значення: е₁₁¹ - в нормі, е₁₁² - вище норми, е₁₁³ - нижче норми, W - якість стружки, що прирівнюється до наступних термів: w₁ - низька якість, w₂ - задовільна якість, w₃ - якість у нормі.

Нижче представлено фрагмент правил продукції для наведеного прикладу:

1. ЯКЩО витрата дифузійного соку НИЖЧЕ НОРМИ

І втрати цукру ВИЩЕ НОРМИ

І якість стружки В НОРМІ

ТО витрату дифузійного соку НЕОБХІДНО ЗБІЛЬШИТИ.

2. ЯКЩО витрата дифузійного соку В НОРМІ

І втрати цукру ВИЩЕ НОРМИ

І якість стружки В НОРМІ

ТО витрату дифузійного соку НЕОБХІДНО ЗБІЛЬШИТИ.

Розроблені правила продукції для всіх показників і параметрів, розглянутих експертами.

Третій розділ присвячено розробці алгоритмів логічного виведення рекомендацій, що є ключовим елементом експертних систем. Якщо база знань відповідає за аналіз даних і містить короткі логічні ланцюжки вироблення рекомендацій, то механізм виведення відповідає за отримання кінцевого рішення за результатами аналізу вхідних даних, що обробляються за правилами бази знань.

У процесі розробки механізму виведення було розроблено блок схему процедури прийняття рішень, аналіз якої показав, що для вироблення рекомендацій необхідна інформація від системи автоматичного контролю, даних заводської лабораторії та даних візуального обстеження. При цьому основним параметром, що може спричиняти порушення у роботі дифузійної установки, є стан стружки. Продукційна модель має складну структуру, в якій зміна окремих параметрів може впливати на різні показники якості процесу.

Для визначення кількісних параметрів рекомендацій використано алгоритм нечіткого виведення Мамдані, що включає операції фазифікації, агрегування, активізації, акумуляції та дефазифікації.

Під час визначення функції належності передбачено, що для дифузійної станції можна виділити параметри, з кількісною оцінкою (витрата, рівень, тиск, значення рН,) для яких можливий стан можна задати у вигляді інтервалу значень та параметри якісного характеру (переміщення стружки, якість стружки, стан жому), що задаються множиною станів . Фазифікація проводилася з використанням кусково-лінійних функцій належності: трикутної, трапецієподібної, S - та Z-подібної. Для визначення ступеню істинності складних правил продукції використовувалась логічна кон'юнкція та логічна диз'юнкція . Цей етап у нечіткому виведенні відповідає агрегуванню.

Наприклад у процесі роботи дифузійної станції параметри прийняли значення: витрата дифузійного соку 124 м³/год, втрати цукру в жомі 0.1%, якість стружки 0.67. У процесі фазифікації визначено, що витраті дифузійного соку буде відповідати терм «норма» із ступенем належності , для втрат цукру в жомі - терм «нижче норми» із ступенем належності , а для якості стружки - терм «норма» із ступенем належності . У базі знань для виведення характеру зміни витрати дифузійного соку стає активним правило:

ЯКЩО витрата дифузійного соку В НОРМІ

І втрати цукру НИЖЧЕ НОРМИ

І якість стружки В НОРМІ

ТО витрату дифузійного соку НЕОБХІДНО ЗМЕНШИТИ,

У результаті визначення кон'юнкції (), логічне виведення буде відповідати терму «зменшити витрату» із ступенем істинності 0.5.

У разі, коли для вхідних значень параметрів стверджується більше одного правила, виконувався етап акумуляції, що являє собою процедуру знаходження функцій належності для кожної лінгвістичної змінної з подальшим виділенням найменшої нечіткої множини, яка домінує одночасно для всіх нечітких множин.

Для отримання числового значення рекомендацій етап дефазифікації проводився методом центроїду площини. Процедуру нечіткого логічного виведення було здійснено з використанням програмного пакету MATLAB.

Після проведення відповідних розрахунків отримано рекомендації щодо зміни параметрів, які впливають на показники роботи дифузійної станції. При цьому перед оператором постає задача вибору: яку рекомендацію обрати і який з параметрів змінити на рекомендоване значення. У зв'язку з цим було прийнято рішення розробити методику прогнозування змін показників роботи дифузійної станції залежно від зміни технологічних параметрів.

З цією метою, на основі архівних даних роботи дифузійної станції Жданівського цукрового заводу були знайдені функції регресії для показників роботи дифузійної станції (втрати цукру в жомі, вміст цукру в дифузійному соку, невраховані втрати цукру, переміщення стружки, завантаження апарату):

Наприклад для втрат цукру в жомі було обрано функцію:

, (9)

де: х₁ - температура в колоні, х₂ - рівень у колоні, х₃ - напруга на двигуні колони, х₄ - температура в ошпарювачі, х₅ - витрата дифузійного соку, х₆ - витрата стружки, х₇ - процент браку в стружці.

Розрахунок коефіцієнтів регресії проводився на вибірці даних роботи заводу за проміжок часу - з 23.09.2007 01:00:00 по 24.09.2007 13:00:00, а для перевірки - з 24.09.2007 14:00:00 по 26.09.2007 01:00:00.

Методом найменших квадратів було отримано значення коефіцієнтів регресії: а₀=2.6379, а₁= -0.0506, а₂= 0.002, а₃= -0.0004, а₄= 0.0114, а₅= 0.0011, а₆= -0.0013, а₇= -0.4825, а₈= 0.0127, а₉= -0.0024, а₁₀= -0.001, а₁₁=-0.0069. Для знайдених значень коефіцієнт детермінації для базового періоду становив R=0,958 R² = 0.936.

Регресійний аналіз було проведено для різних періодів роботи цукрового заводу. Аналіз отриманих результатів показав, що приведена відносна похибка між реальними і прогнозованими значеннями (упродовж 1 год.) не перевищує 10%. Це дає змогу використати ці дані для короткотермінового прогнозу зміни показників якості роботи дифузійної станції залежно від зміни технологічних параметрів.

У процесі роботи ПППР передбачається, що коефіцієнти знайдених функцій регресії постійно перераховуються за результатами даних, які поступили до бази даних у період, який передує розрахунку нових прогнозованих значень.

Отже, у разі порушення технологічного режиму ПППР одночасно виробляє рекомендації щодо зміни технологічних параметрів і розраховує прогнозовані значення показників дифузійної станції, якщо ці рекомендації буде виконано. Аналіз отриманих результатів свідчить, що практично неможливо досягти одночасного покращення всіх показників. Якщо покращуються одні показники, то інші погіршуються. Крім того, у зв'язку з великою кількістю одночасно оброблюваних підсистемою параметрів, кількість комбінацій рекомендованих рішень є значною і не може бути у такому вигляді надана оператору. Попередньо необхідно провести звуження кількості рекомендацій.

Звуження множини рекомендацій було проведено з використанням методики вибору з врахуванням кількості домінуючих критеріїв.

У четвертому розділі наведено результати досліджень з розробки модуля управління продуктивністю роботи дифузійної станції для покращення ритмічності і підтримання якісних показників її роботи, а також зменшення загальних втрат цукру у процесі зберігання буряка і його переробки.

Особлива увага до вибору продуктивності дифузійної станції викликана тим, що цей параметр тісно пов`язаний з втратами цукру як у процесі зберігання, так і переробки. Втрати цукру під час зберігання залежать в основному, від термінів зберігання сировини, а терміни зберігання - від швидкості її переробки. Зменшити втрати цукру в процесі зберігання можна також за рахунок упорядкування передачі буряка на переробку. У процесі зберігання буряка відбуваються не тільки прямі втрати цукру, а також змінюються його якісні показники, що впливають на технологічний режим його переробки і можуть викликати необхідність коригування продуктивності.

Однією з задач цього модуля є визначення прогнозованих втрат цукру під час зберігання у заводських кагатах із врахуванням втрат цукру від температури навколишнього середовища, кількості сировини, що зберігається, показників її якості та продуктивності цукрового заводу. Запропоновано формулу для розрахунку втрат цукру залежно від термінів і умов зберігання:

(10)

де: с_щ - втрати маси сировини, с_з - втрати цукру сировини, S _ji - запас буряка, r - перероблено буряку, t - температура зберігання

У процесі надходження буряка на цукровий завод сировинна лабораторія розподіляє його за показниками якості і керує процесом закладки на зберігання у різні кагати. Подавати буряк на переробку можна з будь-якого кагату в будь-якій послідовності. Виникає задача пошуку алгоритмів керування процесом подачі буряка на переробку з метою мінімізації втрат цукру під час зберігання, яку можна визначити у вигляді вирішення транспортної задачі:



Доба переробки Партія сировини	D1	D2	…	Dn	Dj аі
А1	C11	C21	…	C1n	а1
А2	C12	C22	…	C2n	а2
…	…	…	…	…	…
Аm	C1m	C2m	…	Cnm	аm
Аі dj	d1	d2	…	dn	Сировини на зберіганні Сировини перероблено

де: с_ij (i=1,…, m; j=1,…, n) - середньодобові втрати цукру під час зберігання сировини у кагаті А_і за добу D_і.

Метою вирішення задачі є пошук множини значень x_ij?0, i=1,…, m; j=1,…, n;

де: x_ij. - кількість буряка з партії А_і, відібраної на переробку у добу D_і і повинна відповідати умовам:

, (11)

яка вказує, що для розрахунку взято весь буряк, що зберігається, а умова

, (12)

вказує, що за добу відбирається така кількість буряку, яка необхідна для забезпечення заданої продуктивності цукрового заводу.

За таких умов цільова функція повинна досягти мінімального значення:

, (13)

Пошук покращеного плану переробки проводився з використанням методів мінімального елементу та потенціалів, що є модифікацією симплекс-методу лінійного програмування відносно рішення транспортних задач.

Використання методики транспортних задач дає змогу коригувати як втрати, так і показники якості перероблюваної сировини. Це дозволяє забезпечити ритмічність роботи дифузійної станції.

У процесі прийняття рішення щодо зміни продуктивності дифузійної станції виникають деякі протиріччя. Збільшення продуктивності зменшує втрати під час зберігання, але може призвести до збільшення втрат цукру з жомом. І навпаки, зміна показників стану сировини призводить до погіршення показників якості станції і може вимагати зміни продуктивності. Отже, вибір алгоритмів управління продуктивністю є важливою задачею.

Керувати продуктивністю дифузійної станції можна двома шляхами:

- зміною напруги на двигунах турбовалу колони, що супроводжується зміною швидкості проходження стружки через апарат;

- зміною довжини стружки, що приводить до необхідності зміни часу перебування стружки в апараті.

Приймаючи, що кожному значенню напруги на двигунах колони і довжині стружки d буде відповідати продуктивність А і втрати цукру В, необхідно знайти ситуацію, в якій продуктивність буде максимальною, а втрати - мінімальними:

(14)

Вирішення задачі розрахунку заданої продуктивності дифузійної станції та втрат цукру у процесі зберігання проводилося з використання теорії гри, розглядаючи умову (14) як неантагоністичну біматричну гру G, в якій дві сторони:

 (15)

Перша сторона зацікавлена у збільшенні продуктивності під час переробки, для якої множиною стратегій є зміна напруги на двигунах колони Х₁={н₁,н₂,…, н_m}, друга - у зменшені втрат під час переробки, для якого множиною стратегій є зміна довжини стружки Х₂={d₁, d₂,…, d_n}. Функція виграшу для сторін буде Н₁=Р (н, d) і Н₂=С₂(н, d) відповідно для продуктивності та втрат цукру під час переробки. Тоді таблиці значень втрат цукру у процесі переробки та продуктивність переробки залежно від напруги та довжини стружки приймуть вигляд матриць гри G:

(16)

Для гри G ситуацією рівноваги будуть такі значення н та d для яких виконається умова:

(17)

У п`ятому розділі наведено результати практичної реалізації підсистеми підтримки прийняття рішень шляхом включення її до складу системи автоматизації Жаданівського цукрового заводу. Розроблено функціональну структуру автоматизованої системи управління (рис. 8), програмне забезпечення та інтерфейс автоматизованого робочого місця оператора технолога для забезпечення його взаємодії з ПППР.

У результаті впровадження рекомендованих рішень на Жданівському і Шамраївському цукрових заводах отримано зменшення втрат цукру на 0,2% від загальних втрат.

Основні висновки та результати

У дисертаційній роботі запропоновано новий підхід до удосконалення систем автоматизованого управління дифузійною станцією шляхом включення до її складу підсистеми підтримки прийняття рішень, яка на основі розроблених моделей і алгоритмів, формує рекомендації оператору для прийняття ефективних управлінських рішень з метою підтримання якісних показників роботи станції.

1. Існуючі системи автоматизації дифузійної станції надійно підтримують матеріальний баланс і температурний режим процесу висолоджування, проте не можуть забезпечити адекватне реагування системи на зміну показників якості стружки та її властивостей у процесі переробки, що призводить до погіршення якісних показників роботи станції.

2. Запропоновано доповнити існуючі системи автоматизації дифузійної станції підсистемою підтримки прийняття рішень для вироблення рекомендацій по коригуванню технологічних параметрів процесу дифузії на основі продукційної моделі, розробленої в результаті обробки експертних даних, зібраних і систематизованих за допомогою розробленої функціональної моделі з використанням методології SADT - діаграм.

3. Дослідження алгоритмів логічного виведення показав, що для забезпечення ефективної роботи підсистеми підтримки прийняття рішень модель повинна отримувати інформацію від системи автоматичного контролю, даних заводської лабораторії та результатів візуального обстеження роботи обладнання.

4. Аналіз продукційної моделі та алгоритмів логічного виведення показав, що основним параметром, що впливає на всі показники якості процесу дифузії і більшість технологічних параметрів, є показники якості стружки та її стан у процесі переробки.

5. Враховуючи взаємний вплив параметрів на показники якості процесу і багатоваріантність рекомендацій наданих системою, методом регресійного аналізу розроблено алгоритми прогнозування впливу рекомендацій на показники якості процесу, що дало змогу, шляхом використання методу вибору рішень із врахуванням кількості домінуючих критеріїв, звузити множину рекомендацій, виданих системою оператору.

6. Аналіз процесу передачі буряка на переробку показує, що використовуючи методику вирішення транспортних задач, можна розробити план переробки буряку, і коригувати втрати і показники якості перероблюваної сировини, що дозволить зменшити втрати цукру і забезпечити ритмічність роботи дифузійної станції.

7. Аналіз ефективності роботи дифузійної станції показує, що основним параметром, який впливає на загальні втрати цукру в процесі зберігання і переробки буряку, є продуктивність.

8. Враховуючи, що продуктивність дифузійної станції можна змінювати або збільшенням напруги на двигунах колони або зменшенням довжини стружки, методом теорії гри розроблено алгоритм визначення продуктивності дифузійної станції, за якою продуктивність буде максимальною, а втрати цукру - мінімальними.

9. Розроблено функціональну структуру та інтерфейс оператора системи автоматизованого управління дифузійною станцією цукрового заводу з підсистемою підтримки прийняття рішень, яка на основі даних заводської та сировинної лабораторій, системи автоматичного контролю та результатів візуального огляду обладнання виробляє рекомендації для управляючих дій оператора, спрямованих на покращення показників роботи дифузійного відділення.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Сідлецький В.М., Ельперін І.В. Розробка інтерфейсу користувача в інтелектуальних системах підтримки прийняття рішень / В.М.Сідлецький, І.В. Ельперін // Харчова промисловість. - 2004. - Додаток до журналу №3. - С. 139-140.

Сідлецький В.М. Розробка алгоритмів підсистеми підтримки прийняття рішень для контролю якості роботи дифузійного відділення / В.М.Сідлецький, І.В. Ельперін, А.П. Ладанюк // Автоматика. Автоматизация. Електротехнические комплексы и системы. - 2006. - №2 (18). - С. 92-97.

Сідлецький В.М. Вибір оптимальної продуктивності в системі управління дифузійною станцією цукрового заводу / В.М.Сідлецький, І.В. Ельперін // Наукові праці Національного університету харчових технологій. - 2007. - №20. - С. 64-65.

Сідлецький В.М. Розрахунок втрат цукру в системі управління дифузійною станцією цукрового заводу / В.М.Сідлецький, І.В. Ельперін // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2007. - №2/6 (26). - С. 7-10.

Сидлецкий В.М. АСУ станциями сокодобывания и сокоочистки / В.М.Сідлецький, С.Н. Швед, В.Н. Кушков // Автоматизация в промышленности. - 2008. - №2. - С. 26-29.

Сидлецкий В.М. Сахар высокой очистки / В.М.Сідлецький, С.Н. Швед, В.Н. Кушков // Мир Автоматизации. - 2007. - №6 (14). - С. 54-58.

Сідлецький В.М. Використання SADT технології при розробленні системи керування дифузійною установкою / В.М.Сідлецький, І.В. Ельперін // Нові технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості: сьогодення та перспективи: IX Міжн. наук.-техн. конф., 17-19 жовтня 2005 р. - Київ, 2005. - С. 47.

Сідлецький В.М. Система автоматизації управління процесом сокодобування з підсистемою підтримки прийняття рішень / В.М.Сідлецький, І.В. Ельперін // Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технології: Міжн. наук.-техн. конф., 19 - 21 травня 2004 р.: тез. доп. - Чернівці, 2004. - С. 21-22.

Сідлецький В.М. Формування бази знань в системі підтримки прийняття рішень для дифузійної станції цукрового заводу / В.М.Сідлецький, І.В. Ельперін // XI Міжн. конф. по автоматичному управлінню «Автоматика - 2004», 27-30 вересня 2004 р: тези доп. - Київ, 2004. - С. 100

Пат. 24300 Україна МПК G05B 13/00. Система керування процесом переробки сировини / В.М.Сідлецький, І.В. Ельперін; Заявник і патентовласник Національний університет харчових технологій. - № u 2007 01541; заявл. 13.02.07; опубл. 25.06.07. Бюл. №9.

Сідлецький В.М. Розроблення системи управління дифузійного відділення з підсистемою підтримки прийняття рішень / В.М.Сідлецький, І.В. Ельперін // матеріали Міжн. наук. конф. молодих вчених, аспірантів і студентів, 23-25 квітня 2002 р. - Київ НУХТ, 2002. - С. 117

Сідлецький В.М. Управління якістю роботи дифузійного відділення / В.М.Сідлецький, І.В. Ельперін // Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті: 73-а наук. конф. мол. вчених, аспірантів і студ. НУХТ, 23-24 квітня 2007 р.: тез. доп. - Київ, 2007 - С. 133

Размещено на Allbest.ru