Система оперативной оптимизации технико-экономических показателей непрерывного инерционного производства

Существующий уровень автоматизации сложных инерционных производственных комплексов обеспечивает, главным образом, два аспекта управления производством:

• стабилизацию технологического режима участков возле заданного технологического регламента;
• учет технологических и технико-экономических показателей и удобное представление их заводскому персоналу разных уровней.

В этих условиях оптимизация производственного процесса в целом (не в рамках отдельного участка) может производиться и реально производится человеком - лицом, принимающим решения (ЛПР), т. е. технологом-оператором и руководителями участков и цехов. Основной метод такого управления - это присущий человеку метод проб и ошибок с запоминанием типовых нештатных технологических ситуаций и способов их нормализации. Конечно, автоматический сбор, структуризация и представление ЛПР необходимой технологической информации в современных MES или ERP промышленных системах облегчает принятие технологических решений, но не гарантирует их оптимальность. Таким образом, задачи оперативной (динамической) оптимизации многозвенных и весьма инерционных производств на сегодня не автоматизированы. Это обусловлено, главным образом, сложностью и динамическим характером связей входных и выходных параметров производственного цикла. Статическая же оптимизация при больших временных запаздываниях в этом цикле практически не эффективна. Ее результаты справедливы лишь в среднем за многократно большие временные интервалы.

Вместе с тем, оперативная (динамическая) оптимизация таит в себе большой резерв по улучшению технико-экономических показателей производства, таких как качество готовой продукции, энергетические и материальные производственные затраты, потери ценных компонентов и полупродуктов. Дело в том, что оптимальный технологический регламент отдельных производственных участков не остается постоянным. Возмущения, возникающие как извне (например, по исходному сырью), так и в рамках некоторых технологических участков и не устранимые средствами этих участков, могут и должны компенсироваться на других участках путем изменения их режимных параметров и/или состава и количества работающего оборудования. В этом - суть комплексной оптимизации всего технологического цикла.

Специалистами фирмы "Стелла" разработан универсальный метод динамической оптимизации практически любого инерционного технологического процесса по выбранному критерию. Этот метод позволяет создавать автоматическую оптимизирующую систему (систему экстремального управления СЭУ) существующими стандартными программными и аппаратными средствами. Причем для разработки алгоритмов такого управления не требуется детального знания и математического моделирования физико-химических процессов производства. Поэтому предлагаемый метод может составить основу для стандартизации проектирования промышленных систем данного класса.

Структура системы экстремального управления.
В соответствии с данным методом реальный технологический процесс с контролируемыми входными параметрами и выходным критерием аппроксимируется стандартной математической моделью специального вида. Это - динамическая модель в виде последовательного соединения линейного многомерного динамического звена и нелинейного (параболического) звена. Входами модели (динамического звена) являются реальные входные параметры процесса, а выход модели (статического звена) - оптимизируемый технико-экономический показатель. Априорные сведения для построения аппроксимирующей модели сводятся к качественному характеру причинно-следственных входо-выходных связей технологического комплекса в сравнительных градациях "сильная - слабая, прямая - перекрестная связь" и "запаздывание большое - малое". Модель имеет степени свободы в виде настраиваемых констант. Эти константы определяются идентификацией модели по фактическим заводским данным за достаточно большой интервал времени, многократно превышающий максимальное запаздывание. Универсальность модели выбранной структуры обуславливается следующими двумя фактами. Во-первых, степеней свободы модели оказывается достаточно для адекватного описания практически любого инерционного технологического процесса по каналу "технологические параметры - технико-экономический критерий". Во-вторых, константы этих степеней свободы определяются в результате идентификации по фактическим данным с высокой достоверностью, так как на каждую причинно-следственную связь технологического параметра с выходным критерием приходится в среднем около двух констант (коэффициент влияния и время инерции или запаздывания). Эти факты проверены на технологических процессах в алюминиевой промышленности.

Для такой модели аналитически найден оптимальный алгоритм экстремального управления, который оказывается универсальным в той же мере, в какой универсальна модель выбранной стандартной структуры. Алгоритм состоит из двух блоков: блока оценивания промежуточных переменных модели (параметров состояния динамического звена) и блока собственно регулятора стандартного вида, стабилизирующего эти параметры возле найденных оптимальных значений. Система экстремального управления обеспечивает отыскание и отслеживание оптимума выходного критерия - технико-экономического показателя. Для этого регулятор вырабатывает поисковые и управляющие воздействия на объект по каналам измеряемых технологических параметров, причем поисковые и управляющие шаги оптимально сочетаются.

Имеются сходства и отличия СЭУ и АСУТП. СЭУ так же содержит в своем составе стабилизирующий регулятор. Однако, этот регулятор принципиально многомерный (многоканальный). Это следствие того, что влияние технологических параметров на выходной критерий не допускает декомпозицию на отдельные независимые связи. Кроме того, в СЭУ производится оценивание направления и величины градиента критерия в окрестности его экстремума. Роль этого градиента играет вектор состояния динамического звена модели. Для определения градиента система и сочетает поисковые и управляющие шаги.

Процедура проектирования СЭУ.

Проектирование системы является, по существу, конфигурированием ее из двух блоков: блока оценивания не измеряемых (фиктивных) параметров состояния динамического звена модели и блока стабилизирующего регулятора. Эти блоки могут быть стандартизированы. На первом этапе производится сбор массива фактических заводских данных и определение констант аппроксимирующей модели путем ее идентификации по этим данным. Этот этап можно отождествить с настройкой АСУТП, но производится он на стадии проектирования, а не внедрения системы. На втором этапе производится конфигурирование блоков системы с получением алгоритма управления.