CC BY
15УДК66.012:66.02: 004.9
Г.А.Соколов1, Л.А. Русинов2, Н.А. Чистяков3, В.К. Викторов4, Т.Б. Чистякова5, А.Н. Полосин6
Факультет Информатики и управления был создан в 1999 году. В его состав вошли кафедры: Автоматизации процессов химической промышленности (АПХП) с филиалом (Автоматизированные технологические комплексы и микропроцессорные системы) и Систем автоматизированного проектирования и управления (СПРиУ) и вновь созданная кафедра - Информационных систем в химической технологии (ИСХТ).
Кафедра автоматизации процессов химической промышленности
Кафедра АПХП была основана в 1957г. Кафедра готовит инженеров по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» и бакалавров техники и технологии по направлению «Автоматизация и управление». При кафедре действует филиал «Автоматизированные технологические комплексы и микропроцессорные системы», возглавляемый генеральным директором АО ВИАСМ профессором Кубанце-вым В.И.
Научная тематика кафедры концентрировалась вокруг основного направления, посвященного созданию методологии управления и защиты потенциально-опасных технологических процессов (ПОТП). По этой проблеме руководителем темы П.А.Обновленским была защищена докторская диссертация. Специфика ПОТП предопределила развитие научных направлений, связанных с их техническим обеспечением. Это были направления: создание бесконтактных методов и средств измерения расхода веществ (руководитель доцент Ко-ротков П.А.); разработка методов обработки аналитической информации, систем регламентации потоков веществ (руководитель доцент Гуревич А.Л.); разработка новых методов синтеза систем автоматизированного регулирования (руководитель доцент Ильин Б.В.).
Творческими исполнителями, а в дальнейшем и продолжателями основного научного направления, прошедшими путь от аспирантов кафедры до членов Метрологической академии Российской Федерации, являются декан факультета информатики и управления, а с 1987г. заведующий кафедрой автоматизации процессов химической промышленности профессор Соколов Г.А. и его заместитель по научной работе профессор Русинов Л.А..
В настоящее время научно-исследовательская работа на кафедре непосредственно связана с развитием информационных технологий, что позволило вывести на принципиально новый уровень решение вопросов повышения эффективности
ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ И УПРАВЛЕНИЯ
Рассмотрены основные направления и полученные результаты научных работ, а также научные коллективы кафедр факультета информатики и управления. На кафедре автоматизации процессов химической промышленности и ее филиале разрабатываются методы управления потенциально опасными процессами химической технологии в условиях большой неопределенности математического описания. Это системы робастного управления и интеллектуальные системы, работающие на уровне оперативного управления. На кафедре ведутся работы по обработке информации, поступающей от сложных анализаторов качества и виртуальных приборов, применительно к тепловым измерителям параметров жидких и воздушных сред. На кафедре Информационные системы в химической технологии проводятся работы по информационно-программной поддержке при решении химико-технологических задач; а также разработке методов синтеза оптимальных ресурсосберегающих химико-технологических систем. Научные направления кафедры Автоматизированного проектирования и управления связаны с синтезом и анализом автоматизированных систем обучения, проектирования, обработки информации и управления химическими и машиностроительными производствами. На кафедре также разрабатываются системы управления Интернет-ресурсами высшей школы на базе тренажерных технологий, технологий математического и нейро-нечеткого моделирования.
современных химико-технологических процессов. Учитывая, что современные системы управления в интегрированных автоматизированных технологических комплексах (АТК) представляют собой сложные иерархические человеко-машинные системы, дальнейшее развитие АТК связано с усовершенствованием всех системных компонентов, базирующихся на перспективных областях научно-технических исследований.
Необходимым условием для эффективной работы таких производств является наличие современных систем управления технологическими процессами, обеспечивающих воспроизводимость результатов синтеза, экологическую и техническую безопасность производства, оптимальность АТК, его устойчивую и безопасную работу с минимальными нагрузками на окружающую среду, сохраняя при этом выпуск и качество целевых продуктов в соответствии с регламентирующими документами. Это возможно лишь при повышении уровня интеллектуальности систем, дальнейшего совершенствования основ и методов синтеза оптимальных АТК в условиях неопределенности.
Эти исследования соответствовали концепции программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники на 2003-2004гг (подпрограмма «Химические технологии»)». Программа определяла в качестве перспективной области научно-технических исследований создание информационно-компьютерных систем, разработку экспертных систем, совершенствование и развитие основ преподаваемых дисциплин на базе полученных результатов научных исследований. Развитие этих работ на кафедре АПХП выкристаллизовалось в научное направление, связанное с интеллектуализацией АТК, разработкой алгоритмического и информационного обеспечения, а также новых технических решений для систем управления потенциально опасными процессами химической технологии. Это работы:
• по алгоритмизации оперативно-диспетчерского управления и диагностики состояния этих процессов, разработке систем робастного и адаптивного управления АТК в условиях неопределенности;
• по созданию многофункциональных технических средств автоматизации: импульсных устройств регламентации технологических потоков, тепловых систем контроля расходов и состава технологических сред.
Современные системы управления технологическими процессами представляют собой интегрированные системы управления. Горизонтальная и вертикальная интеграция распределенных систем управления предполагает системный
1 Соколов Геннадий Александрович, проф., д.т.н., зав. каф. автоматизации процессов химической промышленности, e-mail: rudakowa@ws01.sapr.pu.ru
2 Русинов Леон Абрамович, д.т.н., профессор той же кафедры
3 Чистяков Николай Александрович, к.т.н., доцент той же кафедры
4 Викторов Валерий Викторович, проф., д.т.н., зав. каф. информационных систем в химической технологии, тел.: (812)316-67-65
5 Чистякова Тамара Балабековна, проф., д.т.н., зав. каф. систем автоматизированного проектирования и управления, e-mail: sapr@ws01.sapr.pu.ru
6 Полосин Андрей Николаевич, к.т.н., доцент каф. систем автоматизированного проектирования и управления, e-mail: sapr@ws01.sapr.pu.ru Дата поступления 4 апреля 2008 г.
подход к проектированию систем при соблюдении принципов открытости, масштабируемости, функциональности.
По результатам исследований, проведенных на предприятиях химической и металлургической промышленности, предложены оптимальные структуры распределенных систем управления применительно к задачам керамического и металлургического производств. Программно-аппаратное обеспечение систем управления базируется на программируемых логических контроллерах, инструментальных системах программирования и SCADA-системах (рис.1). Обоснован выбор модульных распределенных систем контроля и управления [1].
п
Рисунок 1 Профессор В.Г. Харазов и доцент О.А. Ремизова настраивают модули контроллера
Большинство потенциально опасных технологических (ПОТП) в химической и родственных областях промышленности относится к разряду плохоформализуемых систем. Эти процессы к тому же, как правило, отличаются высоким уровнем неопределенностей (например, из-за многоальтернативности характера их протекания), большими неконтролируемыми возмущениями (например, из-за разброса параметров исходного сырья), существенной внутренней нелинейностью и часто плохой наблюдаемостью. Поэтому в настоящее время в России и зарубежом активно развиваются методы робастного управления, которые позволяют проектировать регуляторы для процессов с большой неопределенностью математического описания. Такая задача актуальна для управления технологическими процессами.
Практика применения теории оптимальных систем при решении конкретных технических задач показала, что оптимальные системы, синтезированные по квадратичному критерию качества, являются чувствительными к параметрам модели реального объекта и характеристикам входных воздействий. Это означает, что такие системы являются не грубыми, чувствительными к неопределенностям в задании тех или иных параметров объекта. Поэтому они часто теряют не только оптимальность, но и работоспособность в тех случаях, когда априорная информация об объекте и внешней среде известна не точно, а лишь с некоторой достоверностью, задаваемой интервалами принадлежности (классами неопределенности).
Современный подход к развитию теории управления характеризуется постановкой и решением задач, учитывающих неточность наших знаний об объектах управления и действующих на них внешних возмущений. Задачи синтеза регулятора и оценивания состояния с учетом неопределенности модели объекта и характеристик входных воздействий, т.е. задачи синтеза робастных регуляторов, являются одними из центральных в современной теории управления.
Основная и принципиально новая идея по синтезу робастного управления состояла в том, чтобы единственным регулятором обеспечить устойчивость замкнутой системы не только для номинального (без учета ошибок модели) объекта, но и для любого объекта, принадлежащего множеству «возмущенных» объектов, определяемых классом неопределенности.
Началом построения строгой классической теории робастного управления, распространенной на многомерные системы, послужило предложение нового критерия оптимальности на основе Н - нормы многомерной передаточной функции замкнутой системы. Использование Н-нормы в качестве критерия оптимальности при синтезе многомерных систем основано на том факте, что она может служить мерой уси-
ления системы. Если выходом является ошибка, а входом возмущение, то минимизируя Н -норму передаточной функции, мы минимизируем энергию ошибки для наихудшего случая входного возмущения. В скалярном случае норма такой функции конечна и равна максимальному значению амплитудно-частотной характеристики.
Но, к сожалению, Н - оптимальные системы управления отличаются излишней консервативностью, так как они получены на основе минимаксной теории. Поэтому актуальной является проблема увеличения грубости получаемых решений для задач робастного управления на основе минимизации квадратичного функционала: аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР), линейной квадратичной гауссовой (ЛКГ) задачи, Н2 - оптимального управления.
На кафедре эта задача решается при помощи расширения динамической модели объекта управления и организации такого управления, которое обеспечивает взаимную компенсацию элементов расширенного движения [2 - 6]. Было доказано, что решение задачи стабилизации для расширенной модели при специальном виде уравнения наблюдения одновременно решает исходную задачу стабилизации и что минимизация квадратичного функционала по этому выходу обеспечивает робастность управления. Предложенный подход к синтезу робастных систем позволяет увеличить грубость оптимальных решений квадратичных задач так, что она приближается к — оптимальным системам управления, которые дают наилучшие результаты в этом направлении. Подход отличается большей простотой, чем — теория управления. Разработанная на его основе методика проверена на многочисленных практических примерах [4, 5]. Результаты исследований по этой тематике обобщены в докторской диссертации А.Л.Фокина (рисунок 2)
В
Рисунок 2. Профессор А.Л. Фокин обсуждает с аспирантом В.В.Сы-роквашиным вопросы устойчивости систем робастного управления Другим подходом к проблеме управления ПОТП, развиваемым на кафедре, является использование интеллектуальных систем управления, работающих, в основном, на уровне оперативного управления (СОУ) процессом (верхний уровень АСУТП). Эти системы обеспечивают мониторинг процесса, поддержание требуемого уровня технической и экологической безопасности таких процессов и поддержку принятия решений при возникновении опасных ситуаций и ликвидации их последствий [7, 8]. Такие СОУ позволяют своевременно обнаруживать нештатные ситуации на ранних стадиях их развития, когда они еще обратимы, и возвращают процесс в регламентные рамки, не доводя до необходимости срабатывания систем автоматической защиты. По сути - это системы ситуационного управления и диагностики, обеспечивающие:
Непрерывный мониторинг состояния объекта в контурах обеспечения технической и экологической безопасности и на двух уровнях управления: уровне управления технологическим процессом и уровне организационного управления предприятием.
Прогнозирование опасных ситуаций на основе данных о текущем состоянии объекта и внешней среды и выработку рекомендаций по их предотвращению.
Распознавание опасных ситуаций по данным технологического и экологического мониторинга, диагностику их причин и прогноз развития.
Выработку рекомендаций по выходу из опасных ситуаций и ликвидации их последствий. Указанные рекомендации
| Р<-а1,
П5
должны включать оповещение соответствующих должностных лиц с целью привлечения дополнительных сил и/или формирование сценариев действий по предотвращению развития опасных ситуаций и ликвидации их последствий.
Накопление статистических данных по опасным ситуациям с целью получения формальных моделей объекта и формирования знаний для решения задач прогнозирования, развития и распознавания ситуаций и диагностики их причин, формирование сценариев действий по их предотвращению.
Поддержку принятия управленческих решений по обеспечению безопасности при наличии логических и функциональных взаимосвязей между их составными частями и ограничений на ресурсы, которыми располагает система
В отличие от обычных разрабатываемые СОУ основаны не только на теоретических знаниях в виде математических моделей или строгих математических зависимостей, но используют еще и эмпирические, экспертные знания. На кафедре разрабатываются различные эффективные методики диагностики, реализованные в виде экспертных систем реального времени и нейросетевых систем (рисунок 3).
Рисунок 3. Профессор Л.А.Русинов и доцент И.В.Рудакова обсуж-
дают результаты моделирования работы экспертной системы
Экспертные диагностические системы работают с нечеткой информацией и производят идентификацию причин нарушений по оценке близости параметров текущей ситуации на процессе к параметрам нештатных ситуаций, определенным на основе экспертной информации и декларированным в правилах базы знаний СОУ С целью обеспечения большей эффективности работы системы для случая крупных ПОТП с большим количеством переменных предложено использовать комбинированный метод диагностики: обнаружение факта нарушения производить методом главных компонент, а определение места возникновения и причины возникновения нарушения - экспертной системой, для чего разработана иерархическая фрей-мово-продукционная структура диагностической модели [9].
Такая структура оказалась эффективной и применена при использовании нейросетевого подхода к диагностике. Здесь предложено использовать два уровня иерархии: на верхнем сеть обнаруживает факт возникновения нештатной ситуации и участок процесса, где она возникла, а сети нижнего уровня, связанные с этими участками процесса, определяют причины нарушений.
Синтезированы диагностические модели и на их основе разработаны системы оперативного управления для ряда конкретных химико-технологических процессов (ХТП), в частности, ХТП получения пероксида водорода [10], ХТП полимеризации этилена при высоком давлении [11], диагностики водно-химического режима АЭС [12], пиролиза углеводородов [9]. По данной тематике защищено 6 кандидатских диссертаций.
Применение информационных технологий в измерительной технике позволяет поднять уровень интеллектуальности информационно-измерительных систем. Интеллектуализация измерительных систем способствует расширению их функциональных возможностей, гибкости, повышает точность и метрологическую надежность измерений.
На кафедре ведутся работы по обработке информации, поступающей от сложных анализаторов качества, таких, например, как спектрометры ближней инфракрасной области, используемые для анализа муки, зерна и т.п. продуктов. Градировка таких анализаторов сложна и требует больших затрат времени. В то же время градуировки, полученные на одном приборе, не работают на других аналогичных приборах даже
той же партии выпуска. Поэтому были разработаны способы переноса градуировок с одного прибора на другие рабочие приборы по ограниченному набору градуировочных образцов, анализируемых на обоих приборах. Методом «частичных наименьших квадратов» определяются корректирующие коэффициенты, которые и позволяют использовать исходную градуировку на других приборах [13].
Разработка программных средств человеко-машинного интерфейса инициировала появление виртуальных приборов, опирающихся на интеграцию измерительных преобразователей с микропроцессорным устройством или ЭВМ для реализации сложных алгоритмов измерений и обработки поступающих с датчиков сигналов. Это позволило проводить линеаризацию, вводить в реальном времени сложные коррекции на изменение влияющих параметров окружающей и измеряемой среды, прогнозировать результаты измерений, несмотря на запаздывание в измерительном канале, проводить совокупные измерения и т.п. Именно виртуальные приборы, по-видимому, позволят обеспечить системы диагностики необходимой измерительной информацией.
На кафедре такие работы ведутся применительно к тепловым измерителям параметров жидких сред и измерителям микроконцентраций ряда веществ в жидкой и воздушной среде (в частности, аммиака и горючих газов в рабочей зоне и др.). Для тепловых расходомеров узким местом являлось большое запаздывание результатов, а также необходимость введения коррекций на температуру окружающей среды, изменение состава потока и других мешающих факторов. Наиболее эффективным направлением уменьшения влияния инерционности при измерении быстропеременных потоков веществ тепловым бесконтактным методом являются структурные методы адаптивной коррекции динамических характеристик расходомеров, как по выходному сигналу датчика, так и по выходному сигналу измерительной системы. В первом случае предусматривается параллельное включение корректора и блока адаптации, а во втором - динамический корректор охвачен отрицательной обратной связью, содержащей блок адаптации. При этом адаптация производится либо по мгновенному значению сигнала; либо по темпу его изменения. Инерционность тепловых расходомеров при измерении пульсирующих потоков веществ используется как их положительное свойство для контроля среднего значения расхода [14,15].
Использование микропроцессорного управления позволяет реализовать все эти операции в автоматическом режиме. В настоящее время проводятся исследования многоканального теплового метода по компенсации нестационарности состава гетерогенных потоков при больших газосодержаниях, а также решения сложной проблемы контроля потоков в открытых каналах [16] (рисунок 4).
Рисунок 4. Профессор Г.А.Соколов, доцент Н.А. Сягаев и аспирант К.Г. Нешин проводят исследование разработанного теплового расходомера
Расширение областей практического применения бесконтактных тепловых методов измерения расхода в значительной степени определяется корректной оценкой различных неста-ционарностей величин, факторов и созданием способов и средств, уменьшающих или исключающих их негативное влияние Таким образом, научное направление кафедры АПХП объективно предусматривает интеграцию нескольких крупных областей научных знаний таких, как: информационные технологии и системы; математическое моделирование; системы автоматизированного проектирования и управления.
116 .я
Данное научное направление соответствует:
Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ «Энергосберегающие технологии» и «Информационно-телекоммуникационные технологии и электроника»,
Критическим технологиям РФ «Технология создания интеллектуальных систем навигации и управления», •Л'
Приоритетным направлениям фундаментальных исследований «Управление в детерминированных и стохастических системах в условиях неопределенности»; «Методы оптимизации и интеллектуализации систем и процессов управления. Адаптивное управление»; «Системы автоматизации, математические методы исследования сложных управляющих систем и процессов».
В рамках этих направлений кафедрой за последнее десятилетие были выполнены работы:
• по Федеральным программам "Экологическая безопасность России", "Автоматизация. Безопасность. Качество. Конверсия";
• по программам Минвуза 'Теоретические основы химической технологии и новые принципы управления химическими процессами", "Человек в экстремальных условиях";
• по восьми хозяйственным договорам с различными организациями отрасли.
) \
I Кафедра информационных систем
в химической технологии
Кафедра информационных систем в химической технологии (ИСХТ) была создана на базе кафедры математического моделирования и оптимизации химико-технологических процессов в 1999г.
Главной целью была организация подготовки студентов в области применения информационно-компьютерных технологий для решения задач проектирования новых и оптимизации действующих химико-технологических производств. Второй целью являлось использование новой многоуровневой системы подготовки выпускников, соответствующей Болонской конвенции. В результате кафедра ИСХТ ведёт подготовку бакалавров техники и технологии по направлению «Системный анализ и управление», а также магистров техники и технологии по программе «Системный анализ проектно-технологических решений». В 2007 году была выпущена монография, в которой о~
Т п
ных химических производств (на примере нитрования, полимеризации, коксования и др.).
Кафедра перешла на многоуровневую систему подготовки специалистов, бакалавров и магистров по направлению «Информатика и вычислительная техника». В последние 10 лет на кафедре развивались научные направления, связанные с синтезом и анализом систем обучения и управления, и выделились новые направления исследований в рамках приоритетного направления «Информационно-телекоммуникационные системы».
Программные комплексы для обучения, проектирования и управления гибкими многоассортиментными процессами производства и переработки полимерных пленок для пищевой и медицинской промышленности
Руководителем научного направления является заведующая кафедрой САПРиУ, доктор технических наук, профессор Т.Б. Чи-'(хтякова.
Исследования по направлению осуществляются на базе разработанной профессором Т.Б. Чистяковой методологии сквозного проектирования гибких программных комплексов, позволяющей реализовать жизненный цикл программного комплекса на базе продукционно-фреймовых технологий [18]. Для решения задачи разработаны структурно-лингвистические фреймовые модели представления знаний об экструзионных, каландровых производствах и процессах термоформования пленок, которые явились основой для автоматизированного синтеза с использованием современных информационных технологий ядра компьютерной системы, включающего многовариантные, адаптивные к переменным характеристикам объектов исследования информационные и математические модели. Информационные модели реализуются в виде баз данных конфигураций и геометрических характеристик производственных агрегатов, режимных параметров процессов, характеристик сырья и продукции. Библиотека моделей производства пленок включает модели одно- и многошнековых экструдеров, модель неизотермического течения в зазорах между валками каландров, модель процесса охлаждения пленки, модели для управления качеством пленки (толщиной, равнотолщинностью, усадкой), модели для оптимального раскроя пленки и формирования производственного плана.. Библиотека моделей термоформования включает модели нагрева одно- и многослойных пленок, модели пневмовакуумной и механической вытяжки пленок в изделия различной конфигурации. об^Г^ На базе библиотек математических моделей разработаны и вне-
В
щены научные и методические результаты, полученные на ка- дрены в производство и учебный процесс: автоматизированная
федре за последние 7 лет [17].
Сотрудники кафедры проводят научную работу в двух основных направлениях:
• информационно-программная поддержка при решении химико - технологических задач;
• разработка методов синтеза оптимальных ресурсосберегающих химико-технологических систем.
Разработаны следующие программные продукты:
• БОБТО для синтеза оптимальных систем теплообмена. В комплексе использован новый комбинаторный метод синтеза оптимальных схем теплообмена;
• SOSRK для синтеза теплоинтегрированных систем ректификационных колонн. В комплексе использован метод вертикальной декомпозиции, разработанный на кафедре.
$w
+
Кафедра систем автоматизированного проектирования и управления
Кафедра «Системы автоматизированного проектирования и управления» (САПРиУ) создана 1 октября 1971 г. и первоначально носила наименование «Автоматизированные системы управления». В это время коллектив кафедры под руководством доцента Б.В. Ильина занимался разработкой и внедрением методологии синтеза и анализа автоматических и автоматизированных систем управления, систем автоматизации научных исследований. В рамках этой тематики в конце 1970-х - начале 1980-х гг. сформировалось новое направление, связанное с развитием формализованных методов проектирования потенциально-опасных процессов и систем управления ими в условиях неполной информации. В связи с этим в 1984 г. коллективу кафедры, возглавляемому профессором В.В. Сотниковым, была доверена подготовка инженеров в области САПР, а кафедра в 1986 г. была переименована в кафедру САПРиУ. С 1990 г. на кафедре начинаются исследования, сформировавшиеся в научное направление, в рамках которого разработана методология синтеза тренажерных комплексов для управленческого персонала потенциально-опас-
система управления толщиной и равнотолщинностью каландро-ванных полимерных пленочных материалов [19]; гибкий программный комплекс для дистанционного обучения и управления учебно-исследовательской экструзионно-каландровой линией; интегрированная система обучения и проектирования гибких многоассортиментных каландровых производств полимерных пленок [20]; программный комплекс для моделирования и исследования процессов термоформования полимерных пленок с учетом индекса разнотолщинности; интеллектуальная система оптимального выбора упаковочных материалов по экологическим, экономическим и потребительским характеристикам.
Развитие направления осуществляется в рамках сотрудничества кафедры с международной корпорацией по производству пленок «К1ескпег Ремарк» (КР) и ООО «Клекнер Пентапласт Рус» (рисунки 5-7). Результатом партнерства стало создание в 2007г. Меж-
Рисунок 5. Главный технолог «KP Europe», проф. К. Колерт, генеральный исполнительный директор «KP», проф. Т. Геке, ректор СПбГТИ(ТУ), проф. А.С. Дудырев на церемонии открытия Пленочного центра
г P<-cd,
117
Рисунок 6. Руководитель Пленочного центра, аспирант кафедры СА-ПРиУ А.Б. Иванов делает доклад о российском рынке пленок и оборудовании для их производства
дународного дистанционного учебно-исследовательского центра по полимерным пленкам, на оборудовании которого осуществляются исследования, тестирование и внедрение программного обеспечения.
В исследованиях совместно с «Kleckner Pentaplast» участвуют студенты кафедры (начиная с 3 курса), что позволяет им подготавливать и защищать бакалаврские и дипломные проекты на высоком инженерно-техническом уровне.
Разработки используются при проведении совместных с Рурским университетом (Германия, Бохум) исследований на тему «Искусственный интеллект в системах автоматизации высокоэффективных технологических объектов» в рамках программы им. Л. Эйлера (по линии DAAD), в которой преподаватели, аспиранты и дипломники факультета участвуют с 2000 г (рисунок 8). Руководителями НИР являются профессор Т.Б. Чистякова и заведующий кафедрой АСУ Рурского университета, профессор Г. Райниг (выпускник кафедры САПРиУ) (рисунок 9).
По результатам научных исследований за последние 10 лет успешно защищены 5 кандидатских диссертаций, опубликованы 26 статей, сделано более 60 докладов на научных конференциях, получено 21 свидетельство о регистрации программ для ЭВМ в Роспатенте, 1 Международный патент и 15 актов о внедрении программных комплексов в эксплуатацию на заводах корпорации «К1цскпег Pentaplast» в России и Германии, а также в учебный процесс кафедры САПРиУ. Участники коллектива становились победителями конкурсов грантов Федерального агентства по образованию (2004г.), Правительства Санкт-Петербурга (2005 г.), компании «SolidWorks Russia» (2005г.).
Интеллектуальные автоматизированные системы обучения, проектирования и управления гибкими многоассортиментными производствами гранулированных пористых материалов экологического назначения
Руководителями научного направления являются профессор Т.Б. Чистякова и ведущий научный сотрудник кафедры САПРиУ, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ю.И. Шляго.
В рамках направления в соответствии с методологией синтеза тренажерно-обучающих комплексов на базе формализованного описания производства гранулированных пористых материалов реализованы следующие этапы [21]:
разработана настраиваемая информационная модель производства, включающая базы данных характеристик оборудования, рецептур, свойств сырья, характеристик стадий производства, технологических параметров, показателей качества продукции (катализаторов, сорбентов, носителей);
создана библиотека математических моделей для исследования, проектирования и управления, включающая модели основных стадий производства: смешения, гранулирования, сушки, прокалки, пропитки;
разработана интеллектуальная подсистема для обучения управлению производством при возникновении нештатных ситуаций, связанных с нарушением качества конечной продукции;
разработан гибкий программный комплекс для имитационного моделирования и обучения управлению перенастраиваемым производством гранулированных пористых материалов по показателям качества целевой продукции на основе различных сценариев обучения.
Развитие направления осуществляется с 2002 г. в рамках сотрудничества кафедры САПРиУ с ФГУП «НКТБ «Кристалл», ставшим инициатором темы, и со специалистами кафедры «Технология катализаторов» (зав. кафедрой, проф. Е.А. Власов, вед. науч. сотр. Н.В. Мальцева). Производство гранулированных пористых материалов ФГУП «НКТБ «Кристалл» является научно-экспериментальной базой для тестирования и внедрения обучающих комплексов (рисунки 10-12).
Исследования осуществляются в рамках фундаментальной НИР «Развитие научных основ анализа и синтеза распределенных проблемно-ориентированных лабораторий для дистанционного исследования и изучения гибких многоассортиментных химико-технологических систем». По результатам исследований за 6 лет защищена 1 кандидатская диссертация,
Рисунок 8. Стипендиат DAAD, аспирант кафедры А. Авербух делает доклад об исследованиях по моделированию усадки полимерных пленок. 2004 г. Ныне А.Б. Авербух - ст. преподаватель кафедры, канд. техн. наук
Рисунок 9. Проф. Т.Б. Чистякова, стипендиаты DAAD Р Антипин, В.Козырь, А.Иванов, доц. каф. АПХП Н.А. Чистяков на каф. АСУ Рурского университета с проф. Г. Райнигом. 2007 г.
Рисунок 7. Проф. Т.Б. Чистякова делает доклад о результатах НИР на Международной научно-технической конференции, посвященной открытию Пленочного центра
п
Совместно с кафедрой иностранных языков разработан и внедрен в учебный процесс обучающий комплекс для изучения студентами английского языка и технологий компьютер- 1 ного перевода научной документации с учетом специфики предметной области, связанной с информационными технологиями.
Для предприятий нефтеперерабатывающей отрасли разработана интегрированная автоматизированная система обучения и управления, которая протестирована на примере производства промышленных масел и смазок.
Синтез и анализ автоматизированных систем управления химико-технологическими процессами и производствами
Руководителями направления являются профессор, доктор технических наук В.В. Сотников и профессор, доктор технических наук В.И. Халимон (рисунок 13).
Рисунок 10. Ведущие специалисты кафедры САПРиУ по производствам сорбентов, катализаторов: вед. науч. сотр. Ю.И. Шляго, инженеры Т.П. Насонова и В.И. Колодезников
Рисунок 11. Ю.И. Шляго и Н.В. Мальцева на производстве гранулированных пористых материалов (стадия гранулирования) ФГУП «НКТБ «Кристалл»
Рисунок 12. Аспирантка, старший преподаватель кафедры И. Новожилова делает доклад о разработках ПО для обучения и управления
опубликованы 6 статей, сделано более 20 докладов, получено 4 свидетельства о регистрации ПО и 6 актов о внедрении программных комплексов в эксплуатацию на производстве ФГУП «НКТБ «Кристалл» и в учебный процесс кафедр САПРиУ, «Инженерная защита окружающей среды», «Технология катализаторов».
Разработка обучающих программных комплексов для исследования, проектирования и управления химико-технологическими процессами
Работы по данному направлению осуществляются под руководством доцентов, кандидатов технических наук Л.В. Голь-цевой, О.В. Ершовой, В.Л. Рукина, старшего преподавателя, соискателя О.Г. Новиковой.
В настоящее время в сотрудничестве с кафедрой «Процессы и аппараты» студентами и аспирантами разработано информационное, математическое и программное обеспечение тренажерно-обучающих комплексов для автоматизированного анализа и синтеза основных процессов и аппаратов химической промышленности (фильтров, дробильных агрегатов, теплообменников и др.).
Рисунок 13. Заседание диссертационного совета ведет председатель, профессор В.В. Сотников
В рамках направления разработана методология синтеза функционально-алгоритмической структуры АСУ химико-технологическими процессами и производствами в условиях неполноты и неопределенности исходной информации с использованием современных компьютерных технологий. Создан программно-алгоритмический комплекс, реализующий методы синтеза и анализа систем управления и предназначенный для проектирования как отдельных контуров управления, так и АСУТП в целом [22]. Методология синтеза систем управления протестирована для нефтеперерабатывающих производств.
Разработаны автоматизированные системы управления руднотермическими печами производств фосфора, карбида кальция, нормального и белого электрокорунда, процессом гидроочистки дизельного топлива [23].
Научные исследования выполняются в рамках госбюджетной фундаментальной НИР «Разработка теоретических основ синтеза интеллектуальных автоматизированных систем с гетерогенными процессами». По результатам исследований за последние 10 лет защищена 1 докторская диссертация, 9 кандидатских диссертаций, опубликованы 5 монографий, 30 научных статей, сделано более 25 докладов, получено 6 свидетельств о регистрации ПО и 11 актов о внедрении программных комплексов в эксплуатацию на производстве ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез», в ООО «Наука, технология, информатика, контроль», ООО «Гипрохим-Технолог» и др., а также в учебный процесс СПбГТИ(ТУ) и Санкт-Петербургского государственного горного института.
Интегрированные многоуровневые автоматизированные системы обучения и управления химическими производствами на базе SCADA-систем и систем реального времени
Руководителями научного направления являются профессор Т.Б. Чистякова и доцент, кандидат технических наук О.В. Ершова.
Разработка систем обучения и управления, способствующих повышению эффективности производств и уровня квалификации персонала, осуществляется с использованием SCADA-систем. Критерием синтеза тренажерных комплексов в средах SCADA является сокращение сроков разработки за счет использования хорошо развитых инструментальных средств, в том числе для систем реального времени, создания эргономичных интерфейсов [18].
го института №■
I Р <-о1,
119
Современные SCADA-системы (1пТоиеИ, WinCC, TraceMode) включают все модули, необходимые для быстрой разработки промышленных систем управления и компьютерных тренажеров и интеграции их в единую систему управления производством: база данных параметров процесса, математическая модель процесса, интерфейсы обучаемого или оператора, динамические мнемосхемы с отображением информации о протекании процесса в реальном времени. Методика синтеза автоматизированных систем обучения и управления с использованием SCADA-систем и систем реального времени ^Х) протестирована на примере производств карбида кальция, фосфора и алюминия [24].
Научные исследования осуществляются в рамках образовательной программы <^Х для вузов». По результатам исследований опубликованы 6 статей, более 15 докладов на научных конференциях, получены 4 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ в Роспатенте и 3 акта о внедрении.
Программные комплексы нейро-нечеткого (neuro-fuzzy) моделирования для контроля, диагностики, прогнозирования и управления технологическими процессами
Руководителем научного направления является доцент, кандидат технических наук В.Н. Гиляров (рисунок 14).
Основные результаты исследований заключаются в построении инструментального программного комплекса автоматизированного синтеза нейро-нечетких моделей, поддерживающего этапы извлечения и формализации знаний, конструирования и настройки параметров, верификации и документирования полученных программных приложений, которые используются для автоматизированного контроля, прогнозирования и управления процессами в технике, экономике, социологии и других областях. Разработанный инструментарий и методики его использования успешно применялись для оптимального ведения процесса полимеризации, в интеллектуальном тренажере операторов производства сорбентов, в составе советчика оператора производства газобетона.
гегзд
Рисунок 14. Доцент В.Н. Гиляров читает лекцию по нечетким интеллектуальным системам в Техническом университете Берлина, 2002 г
По результатам исследований защищены 4 кандидатские диссертации, опубликовано 5 статей, более 25 тезисов докладов, получены 2 свидетельства о регистрации программных комплексов фаззи-моделирования.
Математическое моделирование устойчивых и неустойчивых состояний в развитии открытых дискретных систем
Руководитель направления - доцент, кандидат технических наук А.А. Егоров.
При выполнении исследований установлена и математически описана неизвестная ранее закономерность чередования устойчивых и неустойчивых состояний в развитии открытых дискретных систем, процессы в которых подчинены принципу экстремальности, от изменения числа однородных частиц системы с пространственно-временным взаимодействием между ними. Эта закономерность проявляется в существовании зависимости устойчивых (экспериментально наблюдаемых) и неустойчивых состояний от значений экстенсивных характеристик систем (размеров, объемов, масс элементов дискретизации) и происходящих в них процессов [25]. Построенная теория удостоена диплома Российской академии естественных наук и Международной ассоциации авторов научных открытий и изобретений.
Виртуальные лаборатории для моделирования, обучения и управления гибкими машиностроительными производствами
на базе робототехнических комплексов и станков с числовым программным управлением
Руководителями научного направления являются профессор Т.Б. Чистякова и доцент, кандидат технических наук И.А. Смирнов.
Работы выполняются в сотрудничестве с Северо-Западным технопарком «Высокие промышленные технологии», машиностроительное производство которого является опытно-промышленной базой для исследований (рисунки 15, 16).
Рисунок 15. Студенты 5, 6 курсов проходят практику на машиностроительном производстве Технопарка
Рисунок 16. Доцент И.А. Смирнов осваивает устройство управления современным сварочным роботом
Основными результатами исследований являются: автоматизированные обучающие системы для изучения роботов различных типов (для дуговой сварки, погрузочно-разгру-зочных работ, манипуляции с предметами и упаковки); программные комплексы для компьютерного моделирования кинематических структур роботов для гибких мелкосерийных производств; комплекс обучения синтезу управляющих программ для станков с числовым программным управлением. Для повышения качества учебного процесса и эффективности исследований в эксплуатацию введен учебный станок с числовым программным управлением и мобильный перепрограммируемый робот (рисунки 17, 18).
Рисунок 17. Ст. преподаватель Н.В. Романов разрабатывает управляющую программу для станка с ЧПУ
т
п
Рисунок 18. Ст. преподаватель И.А. Песков в учебном классе гибких автоматизированных систем
Высокий научно-технический уровень исследований подтверждается победами в Конкурсе студенческих дипломных проектов в области металлургии и машиностроения в рамках Петербургской технической ярмарки (2006 г.).
Организационная АСУ Интернет-ресурсами высшей школы В рамках направления магистранты кафедры И. Садыков и А. Красавин под руководством доцента Н.П. Жадановской разработали программное обеспечение для многокритериального управления Интернет-ресурсами кафедры, позволяющее осуществлять фильтрацию трафика и управлять доступом к ресурсам Интернета в реальном времени. Программный комплекс эксплуатируется на факультете, обеспечивая эффективное использование сети Интернет в учебном процессе и научных исследованиях и способствуя подготовке специалистов в области сетевых технологий для факультета и производства (рисунок 19).
Рисунок 19. Магистры первого выпуска после успешной защиты диссертаций по разработке программных комплексов для дистанционного проектирования и управления химическими производствами, мониторинга и управления Интернет-ресурсами
Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», в работе которой преподаватели, научные сотрудники, аспиранты и студенты кафедры ежегодно активно участвуют, начиная с 1989 г.
Актуальность и высокий уровень исследований подтверждены присвоением коллективу статуса ведущей научно-педагогической школы Санкт-Петербурга (2007 г.).
Таким образом, научные исследования, проводимые на кафедре, важнейшие результаты которых активно внедряются в учебный процесс, позволяют на высоком научно-методическом уровне осуществлять подготовку специалистов и ученых, владеющих передовыми методиками и компьютерными технологиями синтеза и анализа автоматизированных систем обучения, проектирования и управления сложными технологическими объектами.
Литература
1. Анашкин А.С., Кадыров Э.Д., Харазов В.Г. «Техническое и программное обеспечение распределенных систем управления» - Изд. П-2. СПб.: 2004.
2 Фокин А Л. Метод разделения движений и синтез робастной системы регулирования// Изв. вузов. Приборостроение. 2002. №4. С. 11 -16. v
3 Бороздин П. А., Сыроквашин В. В., Фокин А. Л. Синтез робастной системы управления методами прямого поиска экстремума// Изв. вузов. Приборостроение. 2007. №5. С. 25 -34 .
4 Фокин А. Л., Сыроквашин В. В., Бороздин П. А. Робастное управление технологическими процессами: учебное пособие. - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2007. -201с.
5 Фокин А. Л., Сыроквашин В. В., Бороздин П. А., Рудакова И. В. Синтез робастных систем стабилизации технологических процессов на основе расширенной модели динамики. ГОУ ВПО СПбГТИ(ТУ)- СПб., 2008. - 264 с.: Деп. в ВИНИТИ 21.02.08, № 150-В2008.
6 Бороздин П. А., Сыроквашин В. В., Фокин А. Л. Робастное управление линейным инерционным объектом. Изв. РАН «Теория и системы управления» - 2008, №4, с.41-49
7. Русинов Л.А., Рудакова И.В., Куркина В.В. Мониторинг и диагностика состояния технологических процессов // Известия Орловского ГТУ 2006. №1(2). С. 184-189
8.Русинов ЛА., Рудакова И.В., Куркина В.В., Афлятунов РМ. Диагностика состояния непрерывныхтехнологических процессов // «Ме-хатроника, автоматизация, управление», 2006. №7, С. 18-21
9. Rusinov L.A., Rudakova I.V., Kurkina V.V. Real time diagnostics of technological processes and field equipment // Chemometrics and intelligent laboratory systems, 2007. V88, N1.R18-25
10 Александрова НА., Русинов Л.А., Рашковский П.В., Кравченко Е.М. Повышение безопасности процесса получения пероксида водорода на основе диагностики его текущего состояния // Химическая промышленность сегодня, 2003, N4. C.45-50
11. Рудакова И.В., Русинов ЛА. Оперативное управление процессом получения полиэтилена высокого давления // Автоматизация и современные технологии, 2003, N7. C.30-35
12. Бенуа С.В., Русинов Л.А., Крицкий В.Г. Система функциональной диагностики и мониторинга состояния теплоносителя АЭС с реакторами РБМК // Теплоэнергетика, 2000, N5, c.70-75
13. Zharinov K.A., Rusinov L.A., Sulima E.L., Zubkov V.A. Adaptation of calibration models while transferring within aseries of IR-spectrometers // In "Rrogress in chemometrics research" - Nova Science Rublishers, Oh. 2005,. RR229-236
14. Соколов Г.А., Сягаев Н.А., Тугушев К.Р Динамический термоконвективный метод измерения расхода бинарных растворов жидкостей // Датчики и системы, 2005. № 5. С.9-11
15. Соколов ГА., Тугушев К.Р, Булкин ДД. Многофункциональная система измерения параметров потоков веществ //Коммерческий учет энергоносителей: Тр. 24 Междунар. н/практич. конференц. 2122 ноября 2006 / под ред А.Г. Лупея. - СПб.: Борей-Арт, 2006. С.376 - 379.
16. Соколов Г.А. Бесконтактный тепловой расходомер жидкости / Г.А. Соколов, НА. Сягаев, ЮА. Новитчков, К.РТугушев, К.Г. Нешин // Патент RU 22999404 C2 // Б.И. 20.05.2007 №14
17. Лисицын Н.В., Викторов В.К., Кузичкин Н.В. Химико-технологические системы: оптимизация и ресурсосбережение - СПб.: "Менделеев", 2007. 312с.
18 Чистякова, Т.Б. Информационные технологии синтеза компьютерных тренажеров для химических производств // Изв. С.-Пе-терб. гос. технол. ин-та (техн. ун-та). 2007. № 1. С. 90-95.
19 Чистякова Т.Б., Куликов С.И., Полосин А.Н., Колерт К. ПО для управления толщиной каландрованных тонких материалов // Автоматизация в пром-сти. 2007. № 1. С. 8-11.
20 Чистякова, Т.Б., Иванов А.Б., Колерт К. Система автоматизированного проектирования трехмерной геометрической модел1 перенастраиваемого производства полимерных пленок // Инфор| технологии. 2005. № 12. С. 2-6.
21 Юдинцева, Ю.Е., Чистякова Т.Б., Шляго Ю.И., Мальцева Н.В., Власов Е.А. Система управления многоассортиментным производством гранулированных пористых материалов из тонкодисперсных частиц // Хим. пром-сть сегодня. 2004. Т. 81, № 4. С. 208-213.
22 Халимон, В.И. Формализованные методы построения систем управления химико-технологическими процессами в условиях неполной информации СПб.: Химиздат, 2004. 352 с.
23 Сотников, В.В., Лисицын Н.В., СибаровД.А., БорзовА.Н. Автоматизированное проектирование и управление процессом гидроочистки дизельного топлива.СПб.: Химиздат, 2006. 221 с.
24 Ершова, О.В., Чистякова Т.Б. Использование систем компьютерного обучения для подготовки производственного персонала электропечных установок // Цветные металлы. 2006. № 10. С. 85-88.
25 Yegorov, A.A. The principle of structural determinacy in calculations ofthe steady operating conditions ofelectric circuits // Electrical technology Russia. 2005. № 2. F! 27-44.
В
го института №■
Ï P<-aI,
121
