Методы и алгоритмы планирования, разработки и внедрения автоматизированных технологических комплексов: на примере углеобогатительных фабрик

Актуальность проблемы. Существенное, в три-четыре раза, сокращение сроков создания крупных промышленных комплексов и повышение требований к их технико-экономическим показателям побудило к поиску новых подходов к планированию, разработке и внедрению этих комплексов. В такой ситуации меняется и роль автоматизации управления, переходя от второстепенного значения к одному из ведущих факторов повышения эффективности выполнения всего проекта, включая этапы проектирования всех видов обеспечения, проведение монтажных и пуско-наладочных работ, а также эксплуатацию и развитие промышленных комплексов.

Сокращение сроков создания промышленных комплексов достигается за счет параллельного, одновременного выполнения таких работ как проектирование, заказ и поставка оборудования, строительство, монтаж оборудования, его пуско-наладка. А это требует четкого планирования временных и финансовых ресурсов, а также их динамической корректировки с ориентацией на конечные показатели реализации проекта. Существующие методы планирования не в полной мере учитывают особенности создания каждого комплекса и, как правило, не используют влияние стимулирования на длительность и эффективности выполнения отдельных операций и видов работ.

Увеличивающаяся сложность систем автоматизации, повышение требований к их эффективности, необходимость их включения в работу с момента пуско-наладки технологического оборудования, то есть еще до пуска промышленного комплекса в эксплуатацию, вызывает необходимость разработки автоматизированных испытательно-наладочных полигонов для средств и систем автоматизации.

Решение указанных задач возможно по пути развития и практического использования современных методов имитационного моделирования, представлений теории активных систем, поисковых оптимизационных процедур, планирования эксперимента.

Опыт разработки и внедрения систем автоматизации управления такими крупными промышленными комплексами как углеобогатительные фабрики и технологические объекты угольных шахт подтверждает актуальность охарактеризованной проблемы.

Диссертация выполнена в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ: Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России» (2002~2006г., Государственный контракт № Ц 0109) — задания Министерства образования РФ на проведение фундаментальных научных исследований в области систем автоматизации и информатизации по тематике «Развитие теории и методов управления на основе натурно-модельного подхода» (2005;2006 г. г., № ГР 1 200 510 529) — проекта Российского фонда фундаментальных исследований «Комплексные системы автоматизации управления на основе натурно-модельного подхода» (2006;2008 г. г., № 06−07−89 042) — программ проектирования и строительства углеобогатительных фабрик «Спутник» (г. Полысаево), «Междуреченская» (г. Междуреченск), «Березовская» (г. Березовский), «Северная» (г. Березовский), «Листвяжная» (г. Белово), «Печорская» (г. Воркута), угольных шахт «Колмогоровская-2» (г. Белово), «Южная» (г. Кемерово), «Алардинская» (г. Осинники), «Северная» (г. Ургал).

Цель и задачи диссертации. Развитие методов, алгоритмов и систем автоматизации управления для ускорения создания промышленных комплексов. В рамках этой цели выделены конкретные задачи. 1. Разработка методов и алгоритмов выработки план-графиков создания промышленных комплексов. 2. Исследование влияния законов стимулирования на сроки и эффективность выполнения проектов. 3. Развитие методов и алгоритмов испытания и пуско-наладки средств и систем автоматизации. 4. Разработка план-графиков освоения средств строящихся углеобогатительных фабрик. 5. Испытания и выполнение пуско-наладочных работ при внедрении систем автоматизации управления углеобогатительными фабриками и наземными комплексами угольных шахт.

Методы выполнения работы. Обобщение практического опыта, методы сетевого планирования, комплексного имитационного моделирования, теории активных систем, поисковой оптимизации, идентификации объектов.

Научная новизна. Комплекс методов, алгоритмов и систем планирования, испытания и пуско-наладки средств и систем автоматизации, позволяющих ускорить создание крупных промышленных комплексов и повысить эффективность их функционирования:

1. Методы и алгоритмы выработки план-графиков выполнения проектов на основе имитационного натурно-математического моделирования с максимальным использованием данных предшествующих и условий создания новых проектов.

2. Зависимости влияния видов стимулирующих функций на сроки выполнения отдельных работ и в целом проектов создания промышленных комплексов: наиболее эффективны кусочно-линейная и квадратичная функции стимулирования, позволяющие уменьшить сроки создания комплексов на 1520% и затраты на 5−10%, по сравнению с другими видами функций.

3. Набор типопредставительных ситуаций выполнения проектов создания углеобогатительных фабрик как основы выработки план-графиков и включающих динамику освоения средств, план-графики выполненных проектов, функции стимулирования и пересчетные математические модели влияния вариаций определяющих факторов на длительность выполнения проекта.

4. Методы, алгоритмы и программы для обеспечения функций испытания и наладки средств и систем автоматизации управления, позволяющие выявить и устранить до 75% ошибок разрабатываемых систем автоматизации управления на этапе предшествующем пуско-наладочным работам на объекте.

5. Эмпирический принцип, полученный на основе анализа результатов выполнения пуско-наладочных работ и внедрения промышленных комплексов, устанавливающий необходимость опережающей реализации системы автоматизации управления в части выполнения информационных функций и технологических блокировок. Выполнение этого принципа сокращает сроки проведения пуско-наладочных работ на 15−20%, обеспечивает сохранность технологического и вспомогательного оборудования и безопасность проведения пуско-наладочных работ.

Практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы.

— при планировании создания промышленных комплексов с опережающей реализацией систем автоматизации управления;

— при разработке информационного, алгоритмического и программного обеспечения полигонов для испытания и наладки средств и систем автоматизации;

— для обучения студентов и повышения квалификации специалистов в области разработки, внедрения и эксплуатации средств и систем автоматизации.

Реализация результатов. Результаты работы внедрены на углеобогатительных фабриках: «Заречная», г. Полысаево- «Междуреченская», г. Междуреченск- «Березовская», г. Березовскийна угольных шахтах «Колмогоровская-2», г. Белово- «Южная», г. Кемеровоиспользованы при проектировании систем автоматизации управления обогатительными фабриками «Северная», г. Березовский- «Листвяжная», г. Белово- «Печорская», г. Воркута.

Программное обеспечение испытания и наладки средств и систем автоматизации реализовано на испытательно-наладочном полигоне СибГИУ и Объединенной компании «Сибшахтострой» (г. Новокузнецк).

Результаты исследований используются при проведении практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Основы разработки, испытания и развития систем управления», «Вычислительные комплексы, системы и сети», «Проектирование систем управления».

Предмет защиты. На защиту выносятся.

— постановки задач, методы и алгоритмы выработки план-графиков создания промышленных комплексов;

— зависимости влияния законов стимулирования на сроки и эффективность выполнения проектов;

— методы и алгоритмы испытания и наладки средств и систем автоматизации;

— план-графики освоения средств строящихся обогатительных фабрик;

— результаты испытаний и пуско-наладочных работ систем автоматизации управления углеобогатительными фабриками и наземными комплексами угольных шахт.

Личный вклад автора заключается в разработке методов и алгоритмов составления план-графиков создания промышленных комплексов, испытания и наладки средств и систем автоматизации, построении зависимости влияния стимулирующих функций на сроки и эффективность выполнения проектов, проведении испытаний и пуско-наладочных работ для систем автоматизации углеобогатительных фабрик и наземных комплексов угольных шахт, сборе и обработке исходных данных для решения поставленных задач.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на 8-и конференциях, в том числе: IV и VI Всероссийских научно-практических конференциях «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2003 г., 2007 г.), IV Всероссийской научно-практической конференции «Информационные недра Кузбасса» (Кемерово, 2005 г.), III Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях» (Новокузнецк, 2006 г.), Международных научно-практических конференциях «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2006 г., 2007 г., 2008 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество» (Новокузнецк, 2006 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 12 статей в научно-технических сборниках, 1 статья в периодическом издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка, приложения и содержит 145 страниц основного текста, в том числе 49 рисунков и 16 таблиц.

Результаты исследования используются при обучении студентов по специальностям 230 201 «Информационные системы и технологии» и 220 301 «Автоматизация технологических процессов и производств» .

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой решена актуальная научная задача разработки методов, алгоритмов и систем автоматизации для ускоренного создания промышленных комплексов. Основные выводы, теоретически и практически значимые результаты работы.

1. Эффективным средством выработки план-графиков выполнения проектов по созданию крупных промышленных комплексов может служить имитационное натурно-математическое моделирование с использованием данных предшествующих проектов с выделением типопредставительных ситуаций.

2. К числу определяющих факторов, влияющих на сроки выполнения отдельных работ и проектов в целом, относится стимулирование исполнителей работ. Предпочтительными из числа относительно простых и содержательно понятных функций стимулирования являются квадратичная и кусочно-линейная функция, применение которых дает возможность уменьшить сроки и затраты на выполнение проекта до 10%.

3. Одной из частей информационной основы решения задач выработки план-графиков создания промышленных комплексов, оценки эффективности стимулирующих функций, испытания и наладки систем автоматизации управления должны служить типопредставительные ситуации выполненных проектов создания промышленных комплексов. Типопредставительные ситуации включают план-графики выполненных проектов, функции стимулирования, натурные данные о работе промышленного комплекса, пересчетные математические модели влияния определяющих факторов на показатели выполнения проекта.

4. Развитые варианты систем испытания и наладки средств автоматизации управления должны объединять физические (натурные), модельные и натурно-модельные объекты исследования и оптимизации, позволяющие проводить все виды комплексного имитационного моделирования.

5. Проведение испытаний и наладочных работ средств и систем автоматизации на специализированных полигонах позволяют устранить до 70% всех видов ошибок разрабатываемых систем, дает возможности опережающей реализации систем автоматизации управления, что сокращает сроки выполнения пуско-наладочных работ на 15−20%, обеспечивает сохранность технологического и вспомогательного оборудования и безопасность выполнения пуско-наладочных работ.