Научная статья на тему 'Моделирование и анализ процессов функционирования автоматизированной системы управления технологическим процессом производства газобетона'

Моделирование и анализ процессов функционирования автоматизированной системы управления технологическим процессом производства газобетона Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
294
33
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
математическая модель / имитационная модель / оператор / газобетон / человеко-машинный интерфейс / дозирование / смешивание / транзакт / математична модель / імітаційна модель / оператор / газобетон / людино-машинний інтерфейс / дозу- вання / змішування / транзакт

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Каминская Ж. К., Кулинич Э. М., Сердюк С. Н.

Актуальность. Рассмотрена проблема повышения эффективности и качества процессов функционирования автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) производства газобетона. Актуальность данной проблемы обуславливается необходимостью учета человеческого фактора при разработке систем данного типа. Объект исследования – методы и средства автоматизации процессов управления сложными технологическими процессами (ТП). Предмет исследования – модели, методы и средства повышения эффективности и качества автоматизации процессов управления технологическими комплексами газобетонного производства. Цель работы – повышение эффективности и качества процессов управления ТП приготовления газобетона на основе создания комплексной математической модели, формализующей деятельность человека-оператора и физические процессы, происходящие в ходе ТП, с учетом характеристик исполнительных механизмов и режимов их управления, а также ее практическая реализация в виде имитационной модели (ИМ) процесса управления дозированием материалов газобетоной смеси на ЗАО «Мотор Сич» (г. Запорожье, Украина). Meтод. Предложено решение рассматриваемой проблемы в виде ИМ процесса функционирования АСУТП приготовления газобетона, основанной на комплексной математической модели процессов дозирования, смешивания компонентов газобетонной смеси и интерактивного взаимодействия оператора с человеко-машинным интерфейсом (ЧМИ) АСУТП при решении им задач управления ТП. В ИМ человеко-машинная система «оператор-АСУТП» представлена в виде системы массового обслуживания. Для формализации алгоритма деятельности оператора использован обобщенный структурный метод А.И. Губинского. Особенность данной ИМ заключается в том, что она может быть использована для оценки и отладки работы АСУТП, алгоритмов работы с ЧМИ. Результаты. Разработано программное обеспечение и имитационная модель ТП изготовления газобетона на ЗАО «Мотор Сич», реализующие предложенную комплексную модель на основе транзактного способа организации квазипараллелизма в ИМ. Выводы. В работе предложена комбинированная (аналитико-имитационная) модель процесса автоматизированного управления технологическим процессом приготовления газобетона, которая в отличие от известных моделей управления, включающих процессы дозирования и смешивания, позволяет формализовать деятельность человека-оператора АСУТП, количественно оценить показатели его информационной загрузки, а также дополнительно учитывать в процессе дозирования влияние динамической составляющей веса набора компонентов в бункеры дозаторов и скорость истечения компонентов из расходных емкостей. Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность предложенного математического обеспечения и позволяют рекомендовать его для использования на практике при решении задач обоснования оптимального выбора структуры, способов управления, вариантов ЧМИ, уточнения параметров системы управления указанным ТП, а также при создании интеллектуальных тренажеров для подготовки операторов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Каминская Ж. К., Кулинич Э. М., Сердюк С. Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

МОДЕЛЮВАННЯ ТА АНАЛІЗ ПРОЦЕСІВ ФУНКЦІОНУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМ ПРОЦЕСОМ ВИРОБНИЦТВА ГАЗОБЕТОНУ

Актуальність. Розглянуто проблему підвищення ефективності та якості процесів функціонування автоматизованої системи управління технологічним процесом (АСУТП) виробництва газобетону. Актуальність даної проблеми обумовлюється необхідністю врахування людського фактора при розробці систем даного типу. Об’єкт дослідження – методи і засоби автоматизації процесів управління складними технологічними процесами (ТП). Предмет дослідження – моделі, методи і засоби підвищення ефективності та якості автоматизації процесів управління технологічними комплексами газобетонного виробництва. Мета роботи – підвищення ефективності і якості процесів управління ТП приготування газобетону на основі створення комплексної математичної моделі, що формалізує діяльність людини-оператора і фізичні процеси, що відбуваються в ході ТП, з урахуванням характеристик виконавчих механізмів і режимів їх управління, а також її практична реалізація у вигляді імітаційної моделі ( ІМ) процесу управління дозуванням матеріалів газобетонної суміші на ЗАТ «Мотор Січ» (м. Запоріжжя, Україна). Meтод. Запропоновано рішення розглянутої проблеми у вигляді ІМ процесу функціонування АСУТП приготування газобетону, заснованої на комплексній математичній моделі процесів дозування, змішування компонентів газобетонної суміші та інтерактивної взаємодії оператора з людино-машинним інтерфейсом (ЛМІ) АСУТП при вирішенні ним завдань управління ТП. В ІМ людино-машинна система (ЛМС) «оператор-АСУТП» представлена у вигляді системи масового обслуговування. Для формалізації алгоритму діяльності оператора використаний узагальнений структурний метод А. І. Губинського. Особливість даної ІМ полягає в тому, що вона може бути використана для оцінки та налагодження роботи АСУТП, алгоритмів роботи з ЛМІ. Результати. Розроблено програмне забезпечення та імітаційна модель ТП виготовлення газобетону на ЗАТ «Мотор Січ», що реалізують запропоновану комплексну модель на основі транзактного способу організації квазіпараллелізма в ІМ. Висновки. В роботі запропонована комбінована (аналітико-імітаційна) модель процесу автоматизованого управління технологічним процесом приготування газобетону, яка на відміну від відомих моделей управління, що включають процеси дозування та змішування, дозволяє формалізувати діяльність людини-оператора АСУТП, кількісно оцінити показники його інформаційного завантаження, а також додатково враховувати в процесі дозування вплив динамічної складової ваги набору компонентів в бункери дозаторів і швидкість витікання компонентів з витратних ємностей. Проведені експерименти підтвердили працездатність запропонованого математичного забезпечення, що дозволяє рекомендувати його для використання на практиці при вирішенні завдань обґрунтування оптимального вибору структури, способів управління, варіантів ЛМІ, уточнення параметрів системи управління зазначеним ТП, а також при створенні інтелектуальних тренажерів для підготовки операторів.

Текст научной работы на тему «Моделирование и анализ процессов функционирования автоматизированной системы управления технологическим процессом производства газобетона»

e-ISSN 1607-3274 Радюелектрошка, шформатика, управлiння. 2018. № 4 p-ISSN 2313-688X Radio Electronics, Computer Science, Control. 2018. № 4

УПРАВЛ1ННЯ У ТЕХН1ЧНИХ СИСТЕМАХ

УПРАВЛЕНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

CONTROL IN TECHNICAL SYSTEMS

УДК 004.514:658.5

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА ГАЗОБЕТОНА

Каминская Ж. К. - ассистент кафедры программных средств, Запорожский национальный технический университет, Запорожье, Украина.

Кулинич Э. М. - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок, Запорожский национальный технический университет, Запорожье, Украина.

Сердюк С. Н. - канд. техн. наук, доцент кафедры программных средств, Запорожский национальный технический университет, Запорожье, Украина.

АННОТАЦИЯ

Актуальность. Рассмотрена проблема повышения эффективности и качества процессов функционирования автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) производства газобетона. Актуальность данной проблемы обуславливается необходимостью учета человеческого фактора при разработке систем данного типа. Объект исследования - методы и средства автоматизации процессов управления сложными технологическими процессами (ТП). Предмет исследования - модели, методы и средства повышения эффективности и качества автоматизации процессов управления технологическими комплексами газобетонного производства.

Цель работы - повышение эффективности и качества процессов управления ТП приготовления газобетона на основе создания комплексной математической модели, формализующей деятельность человека-оператора и физические процессы, происходящие в ходе ТП, с учетом характеристик исполнительных механизмов и режимов их управления, а также ее практическая реализация в виде имитационной модели (ИМ) процесса управления дозированием материалов газобетоной смеси на ЗАО «Мотор Сич» (г. Запорожье, Украина).

Метод. Предложено решение рассматриваемой проблемы в виде ИМ процесса функционирования АСУТП приготовления газобетона, основанной на комплексной математической модели процессов дозирования, смешивания компонентов газобетонной смеси и интерактивного взаимодействия оператора с человеко-машинным интерфейсом (ЧМИ) АСУТП при решении им задач управления ТП. В ИМ человеко-машинная система «оператор-АСУТП» представлена в виде системы массового обслуживания. Для формализации алгоритма деятельности оператора использован обобщенный структурный метод А.И. Губинского. Особенность данной ИМ заключается в том, что она может быть использована для оценки и отладки работы АСУТП, алгоритмов работы с ЧМИ.

Результаты. Разработано программное обеспечение и имитационная модель ТП изготовления газобетона на ЗАО «Мотор Сич», реализующие предложенную комплексную модель на основе транзактного способа организации квазипараллелизма в ИМ.

Выводы. В работе предложена комбинированная (аналитико-имитационная) модель процесса автоматизированного управления технологическим процессом приготовления газобетона, которая в отличие от известных моделей управления, включающих процессы дозирования и смешивания, позволяет формализовать деятельность человека-оператора АСУТП, количественно оценить показатели его информационной загрузки, а также дополнительно учитывать в процессе дозирования влияние динамической составляющей веса набора компонентов в бункеры дозаторов и скорость истечения компонентов из расходных емкостей. Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность предложенного математического обеспечения и позволяют рекомендовать его для использования на практике при решении задач обоснования оптимального выбора структуры, способов управления, вариантов ЧМИ, уточнения параметров системы управления указанным ТП, а также при создании интеллектуальных тренажеров для подготовки операторов.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: математическая модель, имитационная модель, оператор, газобетон, человеко-машинный интерфейс, дозирование, смешивание, транзакт.

АББРЕВИАТУРЫ

АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом;

АФО - алгоритма функционирования оператора;

ИКВ - известково-кремнеземисто вяжущий;

ИМ - имитационная модель;

ОСМ - обобщенный структурный метод;

ТП - технологический процесс;

ТФЕ - типовая функциональная единица;

ТФС - типовая функциональная структура;

ФС - функциональная сеть;

ЧМИ - человеко-машинный интерфейс;

ЧМС - человеко-машинная система.

НОМЕНКЛАТУРА

Б1 - вероятность безошибочного выполнения алгоритма функционирования; Бз - диаметр заслонки;

/я(0 - функция распределения получения дозы сыпучих материалов;

¥/ - векторный параметр потока /-го компонента; - поток /-го компонента из расходной емкости;

- поток /-го компонента на выходе заслонки питателя дозатора;

¥б - поток /-го компонента в точке касания; /вых - частота на выходе «преобразователь частоты - асинхронный двигатель-редуктор»; g - ускорение свободного падения; О - вес дозатора с компонентами газобетонной смеси;

О/ - вес /-го компонента газобетона; Одоз - вес пустого дозатора; к - высота падения частиц компонентов; кдоз - высота бункера дозатора; кцил - высота цилиндрической части дозатора; кукон - высота усеченного конуса дозатора; К00 - вероятность обнаружения ошибки при ее наличии;

К11 - вероятность обнаружения отсутствия ошибки при ее отсутствии;

т - масса компонентов в дозаторе; тдоз - масса пустого дозатора; М- математическое ожидание; Р$,д) - производительность шнекового питателя /го компонента;

Ртах - максимальная производительность шнеко-вого питателя;

Рдин - динамическая сила воздействия падающего материала;

Рстат - статическая сила воздействия падающего материала;

q - параметр, характеризующий особенности системы управления;

Qi - сигнал на открытие заслонки на 90 градусов; Qi - сигнал на открытие заслонки на 30 градусов; Qупр/ - управление контактором привода шнека; Qзacл¿ - состояние /-й двухпозиционной заслонки; Я - радиус цилиндрической части дозатора;

г - радиус выходного отверстия дозатора;

- среднеквадратичное отклонение;

- площадь открытия /-й заслонки; t - время;

/с) - момент времени выключения дозирования сыпучих материалов;

/1 - момент получения дозы компонента сыпучих материалов;

/д - время дозирования /-го компонента; //дир - директивное время дозирования компонентов;

/дед) - директивное время дозирования в пределах заданной погрешности;

V - объем набранных в дозатор компонентов; ¥доз - объем бункера дозатора; ^он - объем конусной части бункера дозатора; Vцm - объем цилиндрической части дозатора; уБ - скорость частиц падающего материала в области касания с поверхностью неподвижного материала;

У/1о - скорость истечения/прохождения компонента;

у/оа - скорость истечения /-го компонента из расходной емкости в дозатор; а - угол конуса дозатора; а, - угол открытия заслонки; 5 - погрешность дозирования; 5тш - минимальный заданный предел погрешности дозирования;

5тах - максимальный заданный предел погрешности дозирования;

Ар - перепад давления на выходе заслонки; ^ - коэффициент расхода /-го компонента; п - константа 3,14;

Рг - плотность дозируемого /-го компонента; т - время падения частиц компонентов.

ВВЕДЕНИЕ

Для обеспечения эффективности, качества и надежности ТП производства газобетона необходим комплексный учет и анализ как «машинной части» АСУТП, так и человеческого фактора. Следовательно, необходимо анализировать информацию о состоянии отдельных звеньев и блоков всей линии, осуществлять контроль энергозатрат, состояний электрического и технологического оборудования, наличия сырья и его физических характеристик, режимов работы электроприводов, гидроприводов и пневмоприводов (машинная часть системы), а также учитывать возможности оператора по приему, переработке технологической информации, принятии им решения и исполнению управляющих воздействий (человеческий фактор).

Таким образом, в процессе разработки АСУТП возникает необходимость получения комплексной математической модели, достаточно точно описывающей, как взаимодействие оператора с ЧМИ, так и работу ТП, динамику исполнительных механизмов,

потоки дозируемых компонентов, оборудования ТП, датчики и т. д.

Система «оператор-АСУТП» является ЧМС. Применение математических методов для разработки ЧМС, ввиду сложности операторской деятельности, часто позволяет оценивать ее лишь приближенно [1]. В этом случае, эффективно использование имитационного моделирования ЧМС и математического аппарата теории массового обслуживания [1, 2].

Поэтому, на основе комплексной математической модели целесообразно построить ИМ управления конкретным ТП. На основании результатов имитационного моделирования делается вывод об обоснованности предлагаемого варианта ЧМИ, алгоритма управления, принимается решение об их дальнейшей разработке, либо о переходе на другие варианты ЧМИ, методы или алгоритмы управления.

Объектом исследования являются методы и средства автоматизации процессов управления сложными ТП.

Предметом исследования являются модели, методы и средства повышения эффективности автоматизации процессов управления технологическими комплексами газобетонного производства.

На практике в производстве газобетона используются процессы, как многокомпонентного дозирования (в один общий дозатор несколько компонентов), так и однокомпонентного дозирования. Модели одноком-понентного, например [3-5], и многокомпонентного дозирования [6, 7], построены без учета человеческого фактора.

Цель работы - повышение эффективности и качества процессов управления ТП приготовления газобетона на основе создания комплексной математической модели, формализующей деятельность человека-оператора и физические процессы, происходящие в ходе ТП, с учетом характеристик исполнительных механизмов и режимов их управления, а также ее практическая реализация в виде ИМ процесса управления дозированием материалов газобетона на ЗАО «Мотор Сич» (г. Запорожье, Украина).

1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Деятельность оператора связана с объектом автоматизированного управления в виде технологической линии производства газобетона. ТП приготовления газобетона укрупнено может быть представлен следующей последовательностью операций: дозирование; смешивание; сушка; порезка; термическая обработка и возврат отходов на дозирование после смешивания и порезки.

АСУТП дозирования материалов для изготовления газобетона на ЗАО «Мотор Сич» предназначена для выполнения первых двух операций. Поэтому, необходима разработка математической модели процессов дозирования (многокомпонентного и однокомпонент-ного) компонентов газобетонной смеси (жидких и сухих) и их смешивания.

Реализовать точное дозирование сыпучих материалов довольно сложно [8]. Причиной потери точности дозирования является влияние множества факторов на поведение сыпучего материала. Вследствие этого для порционного (дискретного) дозатора момент получения дозы является случайной величиной t1 со своим распределением ft1(t). Таким образом, при принятии решения о выключении в момент t0 вероятность ошибки имеет вид

t1

p={ fum.

to

Смеситель, как объект управления описывается системой дифференциальных уравнений, число которых зависит от количества компонентов смеси. Математическая модель сводится к формированию ряда независимых решений, которые отображают режимы отдельных стадий ТП производства газобетона. В такой модели эффективность достижения оптимального управления зависит от степени согласованности соответствующих параметров, точностных характеристик датчиков, инерционности исполнительных механизмов и контроля потоков компонентов газобетонной смеси. Кроме этого оптимальное управление подразумевает достижение качества получаемой смеси совместно с обеспечением tim() в пределах заданной погрешности

N N

tJ(6,t) = X trn ^ X ^дир .

i=1 i=1

5min < 5 < 5max

Несоответствие директивному времени приводит к удлинению времени цикла, рассогласованию режимов и к снижению технологической эффективности вследствие неоптимальной загрузки оборудования.

Полученная комплексная математическая модель является базой для построения ИМ ТП приготовления газобетона. Для оценки количественных характеристик деятельности оператора АСУТП возможно использовать номенклатуру предложенных показателей [1, 9].

2 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Так как процесс дозирования сухих и жидких компонентов ТП приготовления газобетона является сложным и состоит из нескольких более мелких стадий, то были исследованы модели схожих ТП и аппаратов. В [10] описывается модель весового дозирования сыпучих материалов, использующая модель асинхронного двигателя при двухскоростном способе весового дозирования без описания преобразователя частоты. Здесь также учитывается задержка, с которой материал попадает в бункер, определяемая временем падения. Высота и время падения определяются по упрощенной (цилиндрической) геометрии бункера. При этом не учитывается скорость истечения материала из расходной емкости и динамическая со-

ставляющая его веса. В [3-5] исследованы динамика потоков различных материалов, свойства различных материалов и их истечения из бункеров, что позволяет описать отдельные процессы, бункерные устройства, но в основном описано однокомпонентное дозирование, а в [5] - непрерывное дозирование жидкостей. Наиболее подробно процесс дискретного дозирования сыпучих материалов описан в работах [6, 7]. Однако, в них описан только набор компонентов с помощью вибропитателя без выгрузки. Кроме того, высота падения компонента не связана с геометрией бункера и с объемом набранного материала.

Имеющиеся математические описания процессов и агрегатов дозирования в этих и многих других работах, представляют собой ценный, но разрозненный материал, который требовал обобщения в виде одной модели дозирования компонентов в составе ТП производства газобетона с учетом операторской деятельности по управлению этим ТП.

Для описания и количественной оценки деятельности человека в эргономике и инженерной психологии используется большое количество различных математических методов. В связи с этим, выбор математического аппарата и построения на его основе адекватной математической модели становится самостоятельной проблемой [1]. Однако, по результатам проведенного в [11-13] анализа моделей процесса функционирования ЧМС, наиболее универсальными из них являются функционально-структурная теория и ОСМ А. И. Губинского [14].

Недостатком ОСМ является то, что его можно применять только для процессов без последействия и при отсутствии зависимых операций.

Функционально-структурная теория и ОСМ получили дальнейшее развитие в многочисленных работах коллег и последователей. Найдены также методы решения указанных выше недостатков ОСМ, например [11], где предложена интеграция ОСМ с методом имитационного моделирования. Поэтому, для достижения поставленной цели, для моделирования деятельности оператора был выбран ОСМ.

Для построения комплексной математической и имитационной моделей ТП необходимо исследовать влияние основных факторов и возможных режимов на динамику процесса дозирования газобетонной смеси [15].

3 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Комплекс дозировочно-смесительного отделения ЗАО «Мотор Сич» предназначен для дозирования составляющих газобетонной смеси согласно установленной в технологии рецептуре, приготовления смеси в смесителе и ее выгрузки в тележку с формой. Комплекс осуществляет дозирование пяти компонентов смеси: шлама, алюминиевой суспензии, воды, ИКВ и цемента. При этом, используются два двухкомпонентных дозатора (для сыпучих компонентов и шлама) и один одно-компонентный дозатор суспензии. Сухие компоненты подаются в дозатор при помощи шнековых питателей. Для измерения веса всех компонентов смеси используются тензометрические датчики.

Рассмотрим математическую модель процесса двухкомпонентного дозирования сухих компонентов. Конечным параметром, характеризующим производительность дозатора технологической линии и системы управления, является весовой показатель г-го компонента газобетона:

2

Gi (t) = J Fi (t, q ) -p г (t) • gdt

(1)

При этом поток компонента модулируется производительностью шнекового питателя P(t,q), которая зависит от максимальной производительности шнекового питателя Pmaxi(q) [10], частоты на выходе «преобразователь частоты-асинхронный двигатель -редуктор» /вых(0 и управления контактором привода шнека Q^t):

P(t,q) = Ртах^)/вых(0 Q^t). (2)

Введем векторный параметр потока i-го компонента F(t), который описывается вектором следующих параметров:

Fi(t) = {F,(t,q), p,(t)}. (3)

Поток Fi(t,q) компонентов из расходной емкости зависит от состояния выходной заслонки Q^^t) и находится по формуле:

F(t,q) = S,(t,q,a3)-v/l0(t).

(4)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Площадь открытия заслонки вычисляется по формуле:

Si (t, q, аз ) =

п • D'

• (1 - cosa.j (t)).

(5)

Поток компонентов на выходе из шнекового питателя (поток в дозатор) рассчитываем по формуле:

Ш(1,4)= $ если р(1,4)> Щ(1,4);

РА(1) = \ (6)

14 [р(1,4)= Ртк®'Лых()• Оур(4 если Ц(1,4)>р,4). ^

Масса компонентов в дозаторе т и масса пустого дозатора тдоз создают статическое усилие Рстат, пропорциональное весу дозатора с компонентами газобетонной смеси 0((). Практика дозирования показывает, что после закрытия заслонки вес в дозаторе еще некоторое время (в течение около 0,5 с) увеличивается, а затем стабилизируется на меньшем значении. Это обусловлено инерционностью исполнительных механизмов и временем стабилизации падения частиц компонентов от выходного патрубка заслонки питатель (точка А рис. 1) до точки падения (точка В рис. 1), а также динамическим воздействием Ртн падающих компонентов на емкость дозатора в течении времени дозирования.

Таким образом, в данной модели необходимо найти Рдин(0. С этой целью, скорость падения частиц набираемого компонента уб определяется по высоте падения частиц компонентов к(() и времени падения частиц компонентов т.

Объем дозатора состоит из объема его цилиндрической Кцил и конической Укон (усеченный конус) части (рис. 1):

Удоз = Уцил + У™ = п • Я2 • Кш + 3 • п • Ау.к0Н • (Я2 + Я • г + г2). (7)

Объем набранных в дозатор компонентов определяется по формуле:

2 Ь

У С) = Ц Ев(' УЬ-г=1 '1

(10)

Поток дозируемых в точке В компонентов определяется по формуле:

Fm(f) = Fы(t - т).

(8)

) =

3 •У (')

Кдоз - 3-—, если У ) < Укон;

1п • tg2a •

Удоз - У (')

П • Я

если У (') > УКон.

Ьдс

(9)

б

Рисунок 1 - Возможные варианты загрузки компонентами газобетонной смеси: а - в цилиндрической; б - в конической части дозатора

Скорость падающего компонента вблизи области касания с поверхностью уже поступивших в дозатор компонентов определяется по формуле:

Высота падения частиц компонентов К(') изменяется по мере наполнения дозатора и определяется по формуле:

V в =г8 = л/ 2 ¿К') .

(11)

При абсолютно неупругом соударении (скорость после взаимодействия равна нулю) динамическая сила воздействия падающего материала определяется [7] по формуле:

Рдин (') = Рт (') • Рг -Vв =72ёК(') • Ев (') • Рг ('). (12)

Сила воздействия на тензометрический датчик веса для набора складывается из веса пустого дозатора Одоъ, статической и динамической компонент и определяется по формуле:

2 '2

Ре (') = Одоз + ё •Е/Ев (')• РгЛ + V в • Еш (') •р, , (13) 1=1 '1

В соответствие с рецептом, производится также подача и дозирование жидких компонентов газобетонной смеси. При наборе компонентов используется трехпозиционная круглая поворотная заслонка. Ее пропускная способность зависит от площади открытия, которая регулируется двумя сигналами на открытие заслонки на 90 градусов (2,(0) и открытие заслонки на 30 градусов ((2 ,¿(0) сигналов управления, соответственно грубого и точного набора -го компонента смеси [7].

Поток г-го компонента на входе дозатора в точке А (выход из заслонки) определяется параметром потока Ег(',д) компонентов из расходной емкости:

Ел = Е(',д) = ^(^даУУгАол (').

(14)

Скорость истечения компонентов из расходной емкости в начальном приближении принята постоянной и равна [5]:

VгfloЛ ) = А|ЛР • у.

(15)

Скорость истечения меняется случайным образом вследствие: изменения перепада давления; колебаний уровня в расходной емкости; неоднородности материалов; погодных условий; набора компонентов в расходные емкости во время дозирования. Поэтому, в процессе дозирования требуется идентификация ско-

а

рости истечения потока компонентов и, с учетом этого, изменение момента переключения набора (грубо/точно) и стабилизация потока дозируемых компонентов.

Вода подается в дозатор не из накопительной емкости, а по трубопроводу с давлением в 5 бар. Поэтому, для расчета ее скорости истечения в формуле (15) необходимо принять Ар постоянной и равной 500000 Па.

При падении потока компонента, исходя из условия сохранения энергии, его скорость в момент касания поверхности (точка В) определяется по формуле:

iB (t)=ур ifloA

2(t) + 2 gh(t). (16)

Поток в этой точке определяется согласно выражению (8), а высота падения частиц и объем набранной воды рассчитываются по формулам (9) и (10) соответственно. Суммарный вес дозатора получается последовательным преобразованием изменяющегося потока жидких компонентов газобетонной смеси в весовые показатели в дозаторе. Потоки на выходе соответствующих дозаторов рассчитываются по формулам (14) и (15), а сила воздействия (масса компонентов) на тензометрический датчик весов дозаторов рассчитываются по формуле (13).

Оператор не в состоянии отслеживать динамику набора массы компонентов в дозаторы с цифрового поля вывода на экране ЧМИ. Ему важна только фиксация момента конечной набранной массы компонента. Поэтому, геометрией (точки А и В) дозаторов можно пренебречь, принять поток в точке В равным потоку на входе в дозатор (точка А), т.е. FiB(t) = FA(t) и в формуле (13) учитывать только статическую составляющую:

2 t2

Pz (t) =Zj Fbb (t) • ptdt. (17)

i- = h

На основании разработанных моделей дозирования сухих и жидких компонентов, принятых ограничений и начальных условий, конечных директивных заданных значений веса каждого компонента, а также, исходя из скорректированных, по результатам выполнения предыдущего цикла, параметров модели (vifßo и др.) определяется время дозирования компонентов и стадий дозирования в ИМ.

Приведенные выше модели формализуют только «машинную» часть АСУТП. Для моделирования процесса функционирования АСУТП с учетом деятельности оператора используется ОСМ. В соответствие с данным методом, процесс функционирования задается в виде ФС и представляется состоящим из ряда ТФЕ, комбинации из которых образуют ТФС. Существует библиотека ТФС с расчетными формулами для определения таких основных показателей качества функционирования как: вероятность безошибочного

выполнения АФО Б1; математическое ожидание М и среднеквадратичное отклонение $ времени выполнения АФО [14]. Для определения данных показателей производится постепенное «сворачивание» всей ФС путем замены ТФС на эквивалентные ТФЕ. Редукция продолжается до тех пор, пока вся ФС не будет сведена до одной эквивалентной рабочей операции. Показатели качества ее выполнения и будут равны показателям качества выполнения всей ФС.

Приведем АФО при проверке нулевых значений в дозаторе «Сухие», с указанием ТФЕ, моделирующих реальные операции, выполняемые оператором линии приготовления газобетонной смеси ЗАО «Мотор Сич». ЧМИ состоит из пульта управления и набора экранных форм, отображаемых на операторной панели ОР 177В.

1) Считывание значений массы сухих компонентов с экрана «Общий вид» (моделируется рабочей операцией РД

2) Проверка на равенство считанных значений нулю (контрольная операция К\). Если значение равны нулю, то «Конец», иначе п. 3).

3) Переключение двухпозиционного тумблера на пульте управления в ручной режим «РУЧ» (рабочая операция Р2).

4) Переход в «Стартовый экран дозировки» посредством нажатия кнопки Б14 (рабочая операция Р3).

5) Задержка на открытие формы «Стартовый экран дозировки» (операция задержки З1).

6) Выбор дозатора сухих посредством нажатия соответствующей кнопки (рабочая операция Р4).

7) Задержка на время открытия формы «Дозатор сухих» (операция задержка З2).

8) Открыть заслонку на выгрузку посредством нажатия кнопки Б11 (рабочая операция Р5).

9) Задержка на время открытия заслонки (операция задержки З3).

10) Включение обдува дозатора посредством нажатия кнопки Б10 (рабочая операция Р6).

11) Задержка на время обдува (операция задержки З4).

12) Выключение обдува посредством нажатия кнопки Б10 (рабочая операция Р7).

13) Ожидание снятия избыточного давления в дозаторе (операция задержки З5).

14) Закрыть заслонку на выгрузку посредством нажатия кнопки Б12 (рабочая операция Р8).

15) Задержка на время закрытия заслонки (операция задержки З6).

16) Считывание значений массы сухих компонентов с экрана «Дозатор сухих» (рабочая операция Р9).

17) Проверка на равенство считанных значений нулю (контрольная операция К2). Если значение равны нулю, то «Конец», иначе п. 10).

Модель данного АФО представляется в виде ФС с использованием языка ОСМ (рис. 2).

Исходные показатели качества выполнения рабочих, контрольных операций и операций задержек

(табл. 1) взяты из [14, 16], технических условий, а также частично получены в ходе производственного эксперимента и учитывают конструктивные особенности ЧМИ, используемого оператором. Фрагмент ФС, отмеченный как РЭ1 (рис. 2), является ТФС №2 -«последовательное выполнение рабочей операции и контроля функционирования» [14]. Фрагменты ФС, отмеченные как РЭ2 и РЭ3 (рис. 2), являются ТФС №1 - «последовательное выполнение рабочих операций». Эквивалентная ТФЕ РЭ3 и контрольная операция К2 (рис. 2), образуют ТФС №12 - «рабочая операция с контролем функционирования без ограничения числа циклов» (эквивалентная ТФЕ РЭ4). И, наконец, эквивалентные ТФЕ РЭ1, РЭ2 и РЭ4 также образуют ТФС №1. Протокол свертки ФС (рис. 2) можно представить в табличном виде (табл. 2).

Рисунок 2 - Функциональная сеть алгоритма функционирования оператора при проверке нулевых значений в дозаторе «Сухие»

В соответствие с данными табл. 2 итоговые показатели качества АФО следующие: вероятность безошибочного выполнения АФО Б1 = 0,9711; математическое ожидание М(Т) = 66,164 с и среднеквадратичное отклонение времени выполнения АФО ВД = 13,63 с.

Рассмотренные выше модели образуют комплексную математическую модель формализующую, как процессы дозирования и смешивания, так и деятельность оператора и являются основой для построения ИМ процесса функционирования АСУТП дозирова-

ния материалов для изготовления газобетона на ЗАО «Мотор Сич».

4 ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Имитационное моделирование проводилось с использованием авторского инструментария в виде системы имитационного моделирования СИМ-СИ, предназначенной для моделирования систем массового обслуживания (Свидетельство о регистрации авторского права на произведение № 74996 от 27.11.2017). Для создания ИМ и их формального описания в СИМ-СИ используется транзактный способ организации квазипараллелизма. Модели оформляются в виде типовых процедур на языке С++, а также процедур и функций разработанной специализированной библиотеки (в виде файла Бтс.срр). Для реализации функциональности данной библиотеки и обеспечения работоспособности ИМ, разработана компонента дополнения Бтс.И для среды разработки фСгеаШг. Линия приготовления газобетонной смеси ЗАО «Мотор Сич» работает по две восьмичасовые смены в день. Моделировалась ее работа в течение 30 дней. Единицей времени в модели выбрана одна секунда. Время загрузки программной части АСУТП, а также время перехода между экранами ЧМИ данной АСУТП равномерно распределено и составило 30±2 с и 2,0±0,2 с соответственно. Количество рецептов газобетонной смеси равно 11. Для моделирования выбран рецепт №6 приготовления газобетона: ИКВ - 180,3 кг, цемент - 76,5 кг; суспензия 17,4 кг, шлам 323,1 кг, вода 120,1 кг. Диаметры заслонок набора цемента и ИКВ дозатора сухих равны 125 мм. Диаметры входных заслонок: дозатор шлама - 100 мм и 50 мм (для воды); суспензии - 40 мм. Диаметры выходных заслонок: смесителя - 250 мм; дозаторов сухих - 200 мм, суспензии - 50 мм и шлама - 100 мм. Время открытия и закрытия всех заслонок равномерно распределено и равно 1,95±0,05 с. Скорость истечения ИКВ принята 0,050 м3/с. Производительность шнекового питателя составляла 3,7х10-3 м3/с. Плотность шлама, суспензии и смеси составляет 2,65х103, 2,7х103 и 1,8х103 кг/м3 соответственно. Перепад давления при снижении уровня в дозаторах шлама и суспензии учитывался для пяти уровней с шагом 20%. Директивное время для всех рецептов не должно превышать 17 минут при соблюдении точности дозирования для шлама и воды 1%, для суспензии и сухих 0,5%.

Кроме возможных ошибок оператора, в ИМ была учтена наиболее часто встречающаяся в ходе ТП неисправность - зависание материала в бункере сухих. Данная неисправность поступает в модель в соответствии с распределением Пуассона со средней интенсивностью пять раз в течение каждых восьми часов. Так как в полученной ИМ все емкости расходных материалов считались неограниченными и не учитывались иные виды возможных неисправностей, можно говорить о том, что она является моделью некоего «идеализированного» процесса функционирования АСУТП приготовления газобетонной смеси.

5 РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты имитационного моделирования ТП приведены на рис. 3 и в табл. 3. На рис. 3 приведена временная диаграмма дозирования и смешивания компонентов смеси по рецепту №6 для двух вариантов диаметра входной заслонки дозатора сухих (125 и 150 мм). В табл. 3 представлен фрагмент итоговых статистических данных за 30 рабочих дней, позволяющих дать количественную оценку работы оператора АСУТП и ТП в целом.

6 ОБСУЖДЕНИЕ

Адекватность математических моделей процессов дозирования и смешивания была доказана при их практическом применении в моделировании АСУТП приготовления газобетона Бершадского завода газобетонных изделий. Приведенные результаты [17] согласуются с экспериментальными данными с погрешностью, не превышающей 6% в динамическом и менее 1% в статическом режимах.

Таблица 1 - Показатели качества выполнения рабочих, контрольных операций и задержек

Показатель Операции

Р1, Р9 Р2 Р3, Р5, Р6, Р7, Р8 Кь К2 З1, 32 З3. 36 З4 35

Вероятность, Б1 0,998 0,9969 0,9951 - 1,0 1,0 1,0 1,0

Вероятность К11 - - - 0,990 - - - -

К00 - - - 0,975 - - - -

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Временной И, с 0,178 0,94 0,48 0,29 2,00 1,95 50,0 2,00

с 0,018 0,12 0,13 0,11 0,20 0,05 10,0 0,10

Таблица 2 - Табличный протокол свертки функциональной сети

№ Сворачиваемые ТФЕ Эквивалентная ТФЕ

Обозначение Б1 И £

1 Р1, К Рэ1 0,988 0,468 0,128

2 Р2, Р3, 31, Р4, 32, Р5, 33 Р э2 0,9833 8,330 0,960

3 Р6, 34, Р7, 35, Р8, 36, Р9 Рэ3 0,9833 55,568 10,558

4 Рэ3, К Р э4 0,9996 57,366 12,542

5 Рэ1, Рэ2, рэ4 Рэ5 0,9711 66,164 13,630

бремя, с

Рисунок 3 - Временная диаграмма дозирования и смешивания компонентов смеси

Таблица 3 - Показатели, характеризующие технологический процесс и деятельность оператора АСУТП

Показатель Диаметр 125 мм Диаметр 150 мм Диаметр 200 мм Оптимальное (предельное)

Рецепт Рецепт Рецепт Рецепт Рецепт Рецепт Рецепт Рецепт Рецепт значение

№1 №6 №9 №1 №6 №9 №1 №6 №9

Коэффициент 0,07 0,07 0,07 0,08 0,08 0,08 0,06 0,09 0,09 (0,75)

загруженности

Максимальный 1,88 3,35 2,93 1,31 2,33 2,03 0,66 1,31 1,14 (15 - 20)

период занятости,

мин

Средняя длина 0,66 0,11 0,33 0,46 0,43 0,25 0,23 0,43 0,43 2 - 3

очереди

Максимальная 2 2 2 2 2 2 2 2 2 (5 - 9)

длина очереди

Период цикла ТП, 767 918 883 656 780 752 546 643 623 Директивное

с время 1020

Результаты эксперимента для линии приготовления газобетонной смеси ЗАО «Мотор Сич» показали, что использующиеся заслонки набора цемента и ИКВ (диаметр 125 мм), более чем в пять раз ограничивают входной поток в дозатор сухих, вырабатываемый шнеком, так как поток сухих компонентов через полностью открытую заслонку, составил 6,13х10-4 м3/с.

С целью нахождения оптимального (с точки зрения общего времени цикла приготовления смеси газобетона и времени работы электропривода смесителя, определяющих рациональное использование энергоресурсов) варианта диаметра заслонки было проведено моделирование с заслонками больших диаметров (150 и 200 мм) для трех рецептов, с различным пропорциональным составом сухих и жидких компонентов. Кроме вышеуказанного рецепта №6, проведено моделирование для рецепта №1 (ИКВ - 100 кг, цемент - 110 кг; суспензия - 25 кг, шлам - 300 кг, вода -50 кг) и №9 (ИКВ - 160 кг, цемент - 81 кг; суспензия - 14 кг, шлам - 290 кг, вода - 140 кг).

Эксперимент с заслонкой диаметром 200 мм, для всех трех рецептов ожидаемо привел к сокращению времени цикла приготовления газобетона (табл. 3).

Однако, переход на большие диаметры входных заслонок дозатора сухих линии приготовления газобетонной смеси ЗАО «Мотор Сич» влечет за собой организационные, конструктивные сложности и большие финансовые затраты, а также уменьшает точность дозирования из-за увеличения инерционности исполнительного механизма.

Как следует из данных табл. 3, максимальное время цикла ТП для рецепта №6 и заслонки 125 мм составляло 918 с (15 минут 18 с), что не превысило директивное время 17 минут при соблюдении точности дозирования. Поэтому, с учетом того, что результаты моделирования для заслонки диаметром 150 мм показали для всех рецептов существенное сокращение времени цикла с максимальным приближением момента окончания выгрузки жидких компонент к моменту окончания выгрузки сухих, а также учитывая приемлемое для сохранения точности дозирования время срабатывания заслонки такого диаметра, считаем данный вариант оптимальным.

Ни один из приведенных в табл. 3 показателей, характеризующих деятельность оператора, для всех проведенных экспериментов не превысил рекомендуемого в [1, 9] оптимального или предельно допустимого (приведены в скобках) значения. Это свидетельствует об отсутствии информационных перегрузок оператора в ходе рассматриваемого в данной статье «идеализированного» процесса функционирования.

ВЫВОДЫ

В работе построен набор аналитических моделей процессов дозирования, смешивания, а также деятельности оператора, образующих комплексную модель процесса автоматизированного управления ТП приготовления газобетона. Совместно с построенной на ее основе ИМ, они образуют комбинированную аналитико-имитационную модель, эксперименты с которой позволяют проводить анализ и синтез АСУТП и алгоритмов деятельности оператора на основе количественных и временных показателей.

Научной новизной работы, является предложенная комбинированная модель, которая в отличие от известных моделей ТП дозирования и приготовления смеси газобетона, позволяет формализовать деятельность человека-оператора АСУТП, количественно оценить показатели его информационной загрузки, а также дополнительно учитывать в процессе дозирования влияние динамической составляющей веса набора компонентов в бункера дозаторов и скорость истечения компонентов из расходных емкостей.

Практическая ценность работы заключается в том, что комбинированная модель может быть использована для оптимизации структуры, способов управления ТП, в процессе разработки АСУТП, а также в качестве основы для разработки иммерсивных интерфейсов или интеллектуальных тренажеров для подготовки операторов газобетонного производства или производств со сходными физическими процессами. Полученные с помощью данной модели временные и количественные показатели ТП позволяют оценить влияние параметров технологического оборудования и исполнительных механизмов, как на длительность всего цикла приготовления газобетонной смеси, так и на длительность и соотношение его отдельных клю-

чевых этапов. На основе анализа результатов экспериментов предложен вариант диаметров заслонок набора сухих компонентов, позволяющий оптимизировать время цикла ТП, с сохранением требуемой точности дозирования (для шлама и воды 1%, для суспензии и сухих 0,5%).

Перспективы дальнейших исследований состоят в развитии предложенного математического обеспечения, с целью учета случайных воздействий на систему «оператор - АСУТП».

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают благодарность руководству НПО «ЭТНА» (г. Запорожье) за предоставленные результаты производственного эксперимента линии приготовления газобетонной смеси ЗАО «Мотор Сич».

Л1ТЕРАТУРА / ЛИТЕРАТУРА

1. Душков Б. А. Основы инженерной психологии : учебник для студентов вузов / Б. А. Душков, А. В. Королев, Б. А. Смирнов. - М. : Академический проект, 2002. - 576 с.

2. Сердюк С. М. Ергонотчш питання проектування люди-но-машинних систем : навчальний поабник / С.М. Сердюк. - Запор1жжя: ЗНТУ, 2013. - 319 с. ISBN 978617-529-093-4

3. Зенков Р. Л. Бункерные устройства / Р. Л. Зенков, Г. П. Гриневич, В. С. Исаев. - М. : Машиностроение, 1977. - 223 с.

4. Каталымов А. В. Дозирование сыпучих и вязких материалов: учебник / А. В. Каталымов, В. А. Любартович. - Л. : Химия, 1990. - 240 с.

5. Видинеев Ю. Д. Автоматическое непрерывное дозирование жидкостей / Ю. Д. Видинеев. - М. : Энергия, 1967. - 109 с.

6. Осадчий В. В. Определение мгновенной производительности вибропитателя на основании сигнала с датчика веса в системе дискретного дозирования / В. В. Осадчий // Вюник КДПУ. - Кременчук : КДПУ, - 2008. - Вип.4 (51) Част. 2. -C. 91-93.

7. Осадчий В. В. Уточнение взаимосвязей и параметров электромеханической системы дозирования вибрационного типа / В. В. Осадчий // Материалы IX международной научно-технической конференции «Електромехатчт системи, методимоделювання i оптимзаци» КГПУ, 15-17 мая 2007 г. - Вип. 4 (45), Част. 2. - C. 19-21.

8. Дудников Е. Г. Автоматическое управление в химической промышленности / Под ред. Е. Г. Дудникова. - М. : Химия. - 1987, 368 с.

9. Смирнов Б. А. Инженерная психология. Практические занятия / Б. А. Смирнов. - К. : Вища школа, 1979. - 192 с.

10. Ткачев В. С. Оптимизация процесса весового дозирования сыпучих материалов / В. С. Ткачев, В. А. Ужеловский, В. В. Грубов // Вестник Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. - Днепропетровск: ПГАСА, 2009. - № 8. - С. 7-13.

11. Гриф М. Г. Модели и методы оптимального проектирования человеко-машинных систем на основе функционально-структурной теории / М. Г. Гриф, Н. Д. Ганелина, Е. Б. Цой // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. - 2014. - № 4 (25). - С. 70-78. - БО1: 10.17212/1727-2769-2014-4-70-78

12. Тудэвдагва Уранчимэг. Автоматизация проектирования человеко-машинных систем на основе метода последовательной оптимизации: дис. ... канд. техн. наук. 05.13.17 / Тудэвдагва Уранчимэг. - Новосибирск, 2003. - 177 с.

13. Адиль Омер Юсиф Мохамед. Математическое моделирование и алгоритмы оценки эффективности системы администрирования локальной компьютерной сети: дис. ... канд. техн. наук. 05.13.18, 05.13.13 / Адиль Омер Юсиф Мохамед. - М., 2007. - 177 с.

14. Информационно-управляющие человеко-машинные системы: исследование, проектирование, испытание. Справочник / А. Н. Адаменко, А. Т. Ашеров, И. Л. Бердников и др.; под общ.ред. А. И. Губинского. - М. : Машиностроение, 1993. - 528 с.

15. Филатов А. Н. О производстве и применении изделий из ячеистого бетона в Украине / А. Н. Филатов // Теория и практика производства и применения ячеистого бетона в строительстве. Сборник научных трудов. Вып. 1. - Днепропетровск : ПГАСА, 2005. - С. 43-53.

16. Ашеров А. Т. Сабадаш В. В. Судебно-эргономическая экспертиза несчастных случаев / А. Т. Ашеров, В. В. Саба-даш. - Харьков : УИПА, 2008. - 145 с.

17. Кулинич Э. М. Повышение эффективности автоматизации процессов управления технологическими комплексами приготовления газобетона: дис. ... канд. техн. наук. 05.13.07 / Кулинич Эдуард Михайлович. - Запорожье, 2013. - 157 с.

Статья поступила в редакцию 25.05.2018.

После доработки 05.07.2018.

УДК 004.514:658.5

МОДЕЛЮВАННЯ ТА АНАЛ1З ПРОЦЕС1В ФУНКЦ1ОНУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНО1 СИСТЕМИ УПРАВЛ1ННЯ ТЕХНОЛОГ1ЧНИМ ПРОЦЕСОМ ВИРОБНИЦТВА ГАЗОБЕТОНУ

Камшська Ж. К. - асистент кафедри програмних засобгв, Запор1зький нацюнальний техшчний ушверситет, Запор1жжя, Украша.

Кулинич Е. М. - канд. техн. наук, доцент кафедри електроприводу [ автоматизаци промислових установок, Запор1зький нацюнальний техтчний утверситет, Запор1жжя, Украша.

Сердюк С. М. - канд. техн. наук, доцент кафедри програмних засоб1в, Запор1зький нацюнальний техшчний уЩверситет, Запор1жжя, Украша.

АНОТАЦ1Я

Актуальшсть. Розглянуто проблему тдвищення ефективносп та якосп процесгв функцюнування автоматизовано! системи управлшня технолопчним процесом (АСУТП) виробництва газобетону. Актуальшсть дано! проблеми обумовлюеться необхщтстю врахування людського фактора при розробщ систем даного типу. Об'ект дослщження - методи [ засоби автоматизаци процеив управл1ння складними технолопчними процесами (ТП). Предмет досл1дження - модел^ методи [ засоби

тдвищення ефективност та якосп автоматизаци процеав управлшня технолопчними комплексами газобетонного вироб-ництва.

Мета роботи - тдвищення ефективносп i якост процесгв управлшня ТП приготування газобетону на основ1 створення комплексно! математично! моделi, що формалiзуе дiяльнiсть людини-оператора i фiзичнi процеси, що вiдбуваються в ходi ТП, з урахуванням характеристик виконавчих механiзмiв i режим1в !х управлшня, а також !! практична реалiзацiя у виглядi iмiтацiйноl моделi ( 1М) процесу управлшня дозуванням матерiалiв газобетонно! сум^ на ЗАТ «Мотор йч» (м. Зат^жжя, Укра!на).

Meтод. Запропоновано ршення розглянуто! проблеми у виглядi 1М процесу функцiонування АСУТП приготування газобетону, засновано! на комплекснш математичнш моделi процес1в дозування, змшування компонентв газобетонно! сумiшi та штерактивно! взаемодй оператора з людино-машинним штерфейсом (ЛМ1) АСУТП при вирiшеннi ним завдань управлш-ня ТП. В 1М людино-машинна система (ЛМС) «оператор-АСУТП» представлена у виглядi системи масового обслуговуван-ня. Для формалiзацil алгоритму дiяльностi оператора використаний узагальнений структурний метод А. I. Губинського. Особливiсть дано! 1М полягае в тому, що вона може бути використана для оцшки та налагодження роботи АСУТП, алгори-тм1в роботи з ЛМ1.

Результати. Розроблено програмне забезпечення та iмiтацiйна модель ТП виготовлення газобетону на ЗАТ «Мотор йч», що реалiзують запропоновану комплексну модель на основi транзактного способу оргашзаци квазiпараллелiзма в 1М.

Висновки. В робота запропонована комбшована (аналiтико-iмiтацiйна) модель процесу автоматизованого управлiння теxнологiчним процесом приготування газобетону, яка на вщмну вiд вiдомиx моделей управлшня, що включають процеси дозування та змiшування, дозволяе формалiзувати дiяльнiсть людини-оператора АСУТП, кшьюсно оцiнити показники його iнформацiйного завантаження, а також додатково враховувати в процес дозування вплив динамiчноl складово! ваги набору компонента в бункери дозатор1в i швидкiсть витжання компоненпв з витратних емностей. Проведенi експерименти тдтве-рдили працездатнiсть запропонованого математичного забезпечення, що дозволяе рекомендувати його для використання на практицi при виршенш завдань обгрунтування оптимального вибору структури, способiв управлшня, варiантiв ЛМ1, уточ-нення параметрiв системи управлшня зазначеним ТП, а також при створенш штелектуальних тренажер1в для тдготовки оператор1в.

КЛЮЧОВ1 СЛОВА: математична модель, iмiтацiйна модель, оператор, газобетон, людино-машинний iнтерфейс, дозування, змiшування, транзакт.

UDC 004.514:658.5

THE AUTOMATED CONTROL SYSTEM OPERATING ANALYSIS AND MODELING FOR AERATED CONCRETE

PRODUCTION

Kaminska Zh. К. - Assistant of the Software Tools Department, Zaporizhzhia National Technical University, Zaporizhzhia, Ukraine.

Kulynych E. М. - PhD, Associate Professor, Electric Drive and Commercial Plant Automation Department, Zaporizhzhia National Technical University, Zaporizhzhia, Ukraine.

Serdiuk S. N. - PhD, Associate Professor, Software Tools Department, Zaporizhzhia National Technical University, Zaporizhzhia, Ukraine.

ABSTRACT

Context. The problem of increasing the efficiency and quality of functioning of the Automated Control System (ACS) for aerated concrete production is considered. The relevance of the problem is determined by the need to take into account the human factor in the development of systems of this type. Methods and means of control processes automation with the help of complex technological processes (TP) are the research object. The subject of the research is models, methods and means of increasing the efficiency and quality of control process automation of technological complexes in aerated concrete production.

Objective. The complex mathematical model is to be developed to bring automated control of technological processes for aerated concrete production to the advanced level of its efficiency and quality. The complex mathematical model formalizes humanoperator activity and technological process on the physical level including characteristics of actuators and their control modes. Practically the complex mathematical model is implemented as a certain imitation model (IM), which represents control process for dosing the components for aerated concrete mixtures at JSC "Motor Sich" (Zaporizhzhia, Ukraine).

Method. The solution of the considered problem in the form of the IM operating process of the ACS for aerated concrete preparation is proposed. It is based on a complex mathematical model of dosing and mixing aerated concrete components and the interactive work of the operator with the human-machine interface (HMI) of the ACS when solving the TP control tasks. In the IM, the human-machine system "operator-ACS" is presented in the form of a queuing system. To formalize the operator's activity algorithm, the generalized structural method offered by A.I. Gubinsky is used. The peculiarity of this IM is that it can be used to evaluate and debug the ACS and HMI algorithms.

Results. The software and IM of the technological process for aerated concrete production at JSC "Motor Sich" was developed. That implements the proposed complex model based on a transact technique of organizing quasi-parallelism in IM.

Conclusions. The research proposes a combined (analytical-imitation) model of the automated control process for the aerated concrete preparation technology. Unlike other well-known control models which include dosing and mixing processes, this one suggests the approach that allows formalizing the activity of the ACS operator, quantifying the indicators of his information load and taking into account the influence of the dynamical changing of the components set weight in the dispenser hoppers and the components flow velocity from the consumable containers in the dosing process. The conducted experiments proved the operability of the software proposed; such software may be recommended for practical use in solving the problems of justifying the structure optimal choice, control methods, HMI variants, clarifying the ACS parameters for the specified technological processes, and also for development of intelligent simulators to be used for operator training. © Каминская Ж. К., Кулинич Э. М., Сердюк С. Н., 2018 DOI 10.15588/1607-3274-2018-4-21

KEYWORDS: mathematical model, imitation model, operator, aerated concrete, human-machine interface, dosing, mixing, transact.

REFERENCES

1. Dushkov B. A., Korolev A. V., Smirnov B. A. Osnovyi inzhenernoy psihologii. Moscow Akademicheskiy proekt, Delovaya kniga, 2002, 576 p.

2. Serdiuk S. M. Erhonomichni pytannya proektuvannya lyudyno-mashynnykh system, Navchalnyy posibnyk. Zaporizhzhya, ZNTU, 2013, 319 p. ISBN 978-617-529-093-4 (In Ukrainian)

3. Zenkov R. L. Grinevich G. P., Isaev V. S. Bunkernyie us-troystva. Moscow, Mashinostroenie, 1977, 223 p.

4. Katalyimov A. V., Lyubartovich V. A. Dozirovanie syipuchih i vyazkih materialov: uchebnik. Leningrad, Himiya, 1990, 240 p.

5. Vidineev Yu. D. Avtomaticheskoe nepreryivnoe dozirovanie zhidkostey. Moscow, Energiya, 1967, 109 p.

6. Osadchiy V. V. Opredelenie mgnovennoy proizvoditelnosti vibropitatelya na osnovanii signala s datchika vesa v sisteme diskretnogo dozirovaniya, Visnik KDPU. Kremenchuk, KDPU, 2008, Vip.4 (51), Chast. 2, pp. 91-93.

7. Osadchiy V. V. Utochnenie vzaimosvyazey i parametrov elektromehanicheskoy sistemyi dozirovaniya vibratsionnogo tipa, Materialyi IX mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferentsii «Elektromehanichni sistemi, metodi modelyu-vannya i optimizatsiyi» KGPU, 15-17 maya 2007 g., Vip. 4 (45), Chast. 2, pp. 19-21.

8. Dudnikov E. G. Pod red. E. G. Dudnikova Avtomaticheskoe upravlenie v himicheskoy promyishlennosti. Moscow, Himiya, 1987, 368 p.

9. Smirnov B. A. Inzhenernaya psihologiya. Prakticheskie zan-yatiya. Kiev, Vischa shkola, 1979, 192 p.

10. Tkachev V. S., Uzhelovskiy V. A., Grubov V. V. Optimizat-siya protsessa vesovogo dozirovaniya syipuchih materialov,

Vestnik Pridneprovskoy gosudarstvennoy akademii stroitel-stva i arhitekturyi. Dnepropetrovsk, PGASA, 2009, No. 8, pp. 7-13.

11. Grif M. G., Ganelina N. D., Tsoy E. B. Modeli i metodyi optimalnogo proektirovaniya cheloveko-mashinnyih sistem na osnove funktsionalno-strukturnoy teorii, Dokladyi Akademii nauk vyisshey shkolyi Rossiyskoy Federatsii, 2014, No. 4 (25). pp. 70-78. DOI: 10.17212/1727-2769-2014-4-70-78.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

12. Tudevdagva Uranchimeg. Avtomatizatsiya proektirovaniya cheloveko-mashinnyih sistem na osnove metoda posle-dovatelnoy optimizatsii: dis. ... kand. tehn. nauk. 05.13.17 / Tudevdagva Uranchimeg. Novosibirsk, 2003, 177 p.

13. Adil Omer Yusif Mohamed. Matematicheskoe modelirovanie i algoritmyi otsenki effektivnosti sistemyi administrirovaniya lokalnoy kompyuternoy seti: dis. . kand. tehn. nauk. 05.13.18, 05.13.13. Moscow, 2007, 177 p.

14. Adamenko A. N., Asherov A. T., Berdnikov I. L. i dr.; pod obsch. red. A. I. Gubinskogo Informatsionno-upravlyayuschie cheloveko-mashinnyie sistemyi: issledovanie, proektirovanie, ispyitanie. Spravochnik. Moscow, Mashinostroenie, 1993, 528 p.

15. Filatov A. N. O proizvodstve i primenenii izdeliy iz yacheistogo betona v Ukraine, Teoriya i praktika proizvodstva i primeneniya yacheistogo betona v stroitelstve. Sbornik nauchnyih trudov. Vyip.1, Dnepropetrovsk, PGASA, 2005, pp. 43-53.

16. Asherov A. T. Sabadash V. V. Sudebno-ergonomicheskaya ekspertiza neschastnyih sluchaev. Harkov, UIPA, 2008, 145 p.

17. Kulinich E. M. Povyishenie effektivnosti avtomatizatsii protsessov upravleniya tehnologicheskimi kompleksami prigotovleniya gazobetona: dis. ... kand. tehn. nauk. 05.13.07. Zaporozhe, 2013, 157 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.