Методические вопросы и практика применения
имитационного моделирования в задачах анализа и синтеза
автоматизированных технологических комплексов

Власов С. А., Волочек Н. Г.  

 

При решении различных задач исследования, проектирования и управления для сложных производственных систем могут быть эффективно использованы системы имитационного моделирования.

Современная система имитационного моделирования должна отвечать следующим требованиям:

-     семантика языка моделирования должна позволять достаточно легко составлять модели имитируемых объектов, интерпретирующих их поведение в течение длительных интервалов времени (или в течение жизненного цикла);

-     формализованное описание моделируемого объекта должно позволять выявить такие его свойства, которые трудно обнаружить без формализованного описания;

-     выбранный язык моделирования должен быть таким средством имитации, чтобы основные работы с реализованной моделью не требовали от пользователя специальных знаний в области программирования.

На основе выполненных исследований различных средств моделирования непрерывно-дискретных процессов и опыта их применения для металлургических производственных объектов, имеющих непрерывно-дискретный характер, в Институте проблем управления разработана специальная методика имитационного моделирования, принципы формирования имитационных систем [1, 2].

Указанная методика ориентирована на решение задач анализа и синтеза вариантов автоматизированных технологических комплексов (АТК) современного металлургического производства.

При традиционном подходе к имитационному моделированию имитационная модель рассматривается как некоторый алгоритм, вычислительный процесс которого моделирует работу исследуемой системы. Рассматривая имитационную модель как «черный ящик», ее можно представить в виде тройки <X,Y,P>, где X и Y – вход и выход модели; Р – параметры модели. Для изменения варианта моделируемой системы (или варианта имитационной системы) необходимо изменить значения параметров Р. При проведении исследований на модели меняются во времени X и Y. Таким образом, для изменения имитационной модели и работы с ней должна быть построена оболочка, позволяющая работать с различными вариантами исследуемой системы. Для построения такой оболочки применительно к имитационным моделям АТК использовались принципы интегрированнного проектирования (ИП), разработанные в ИПУ РАН в начале 80-х годов [1].

Исследование проблем ИП осуществляется путем итеративного процесса, включающего следующие стадии (уровни) [1]:

1) имитации альтернатив ТЭО и исходных положений проекта. Выбор целевых и нормативных ограничений в допускаемых природными ограничениями пределах: а) ограничений Aj на технологический оператор aj О Aj (тип технологии j О J, т.е. множество всех осуществимых технологических процессов): б) ограничений на состав { s ji} и значения параметров s ji О е i агрегатов и их взаимосвязей; в) ограничений Xi на состояния xji О Xi совокупности всех переменных процесса при технологии j О J на прогнозируемом множестве I сортаментов i О I; г) ограничений Ui на управляющие воздействия uji (тип системы управления, принципы планирования и т.п.);

2) прогноза - имитации альтернатив технического и рабочего проектов. Выбор альтернатив сочетаний: а) конкретного сортамента I; б) конкретного технологического оператора j М J; в) конкретной трубки состояний  технологического процесса  г) конкретной пространственной и временной привязки этой трубки состояний (размещение оборудования и т.п.)

3) прогноза-имитации подготовки производства. Выбор: а) конкретного портфеля  заказов  ; б) конкретного плана его выработки; в) конкретных значений параметров (настроек оборудования),

4) прогноза-имитации текущего производства с воспроизведением ряда экономических и технологических показателей производства, а также показателей качества продукции . На этой стадии осуществляется выбор конкретных управляющих воздействий,

Итак, решение проблем интегрированного проектирования приходится проводить, разбив задачу на ряд уровней. На нижнем уровне 4 и 3 осуществляется выбор практических переменных u и s , т. е. выбираются режимы оборудования с фиксированными конструктивными свойствами, придающие продукции необходимые потребительские свойства. На верхних уровнях 2 и 1 определению подлежат оператор технологии и области ограничений переменных, параметров и управлений, т.е. вид и состав оборудования, конструктивно-компоновочные формы и материалы оборудования из числа нескольких перспективных вариантов с учетом того, что для каждого варианта предварительно был проведен выбор нижнего уровня. Эти задачи имеют, как правило, комбинаторный характер и могут быть решены различными методами упорядочения вариантов по ряду критериев оптимальности. Заметим, что задачи уровня 1 могут быть расширены и обогащены вплоть до стратегических плановых, экономических и др. Важно только (для данной постановки), чтобы все они в конечном итоге отражались альтернативными вариантами исходных положений и ТЭО проектов.

Средством осуществления указанных процессов ИП являются человеко-машинные процедуры моделирования на ЭВМ, ориентированные на конкретный класс объектов и насыщенные необходимыми для этого класса объектов моделями агрегатов, моделями их взаимосвязей, их совместной работы, моделями действия систем управления и др. Иными словами, методом решения являются проблемно-ориентированные человеко-машинные процедуры моделирования. Разработанные (для указанной конкретной сферы приложений) процедуры моделирования, обеспечивающие формирование основных технических проектных решений и их технико-экономический анализ как в плане технологии, так и управления на различных уровнях и имитационные модели для реализации указанных процедур строятся по методике, показанной в виде схемы на рис. 1.

 

На рис. 2 показана принципиальная структура имитационной системы, которая строится на основе программного комплекса ИМИТАМП (ИМИТация Автоматизированного Металлургического Производства), разработанного в ИПУ РАН. Система может быть адаптирована к различным объектам металлургического производства, с одной стороны, и к различным задачам, составляющим проблему интегрированного проектирования АТК металлургического производства, с другой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Принципиальная структура имитационной системы

К настоящему времени имеется опыт использования имитационной системы для следующих объектов металлургического производства:

-     кислородно-конвертерные цеха с отделениями разливки в слитки и с отделениями непрерывной разливки;

-     электросталеплавильные цеха с непрерывной разливкой;

-     миксерные отделения доменных цехов – конвертерные цеха;

-     технологические комплексы «конверторы (или электропечи) – агрегаты внепечной обработки стали – разливочные агрегаты – склады – нагревательные агрегаты;

-     технологические комплексы «печи-стан» различных типов;

-     технологические комплексы заготовочных и сортовых станов со складским, транспортным и другим вспомогательным оборудованием и др.

Следует заметить, что в данном случае речь идет о типе объекта, а не о его конкретном воплощении на каком-либо заводе. Это значит, что в имитационной системе и в программном комплексе ИМИТАМП имеются инвариантные компоненты, которые могут быть использованы независимо от того, для какого конкретного завода строится имитационная система или комплекс имитационных моделей.

С другой стороны, с помощью специализированных программных средств имитации, используемых в комплексе ИМИТАМП, а именно языка GPSS PCTM, и пользовательских программных модулей на базе языка С++ достаточно легко можно ввести в систему характеристики и параметры объекта, имеющего привязку к конкретному заводу [3].

Теперь остановимся на тех основных задачах, которые решены с использованием компонентов комплекса ИМИТАМП и человеко-машинных процедур имитационного моделирования. Прежде всего, укажем на три основные области проблем, к которым эти задачи относились. Это следующие области:

– управление проектами АТК металлургических предприятий, включая и вопросы САПР для этого случая [3–5];

-     комплексное исследование взаимосвязанного функционирования технологических и организационных компонентов АТК и согласованный выбор состава оборудования и параметров управляющих систем [2];

-     управление в АТК с целью достижения определенных в качестве главных показателей эффективности, например, управление качеством, управление энергосбережением и т. п. [3–5].

Задачи анализа и синтеза АТК металлургического производства в рамках указанных проблем решались с использованием входящего в комплекс ИМИТАМП программного и информационного обеспечения, укрупненная структура которого показана на рис. 3.

 

   

Структура имитационных систем для анализа и синтеза АТК, которая предложена в [1,2], взаимодействие динамических элементов сегментов организационно-технологических моделей, реализуемых в терминах GPSS, обуславливают необходимость реализации в программах имитационных экспериментов следующих процедур: обмен информацией между файлами внешних носителей ЭВМ и переменными модели в оперативной памяти; обмен информацией о параметрах транзактов и между транзактами; определение времени реализации критических событий для компонент, которые имеют непрерывный характер. Реализация этих процедур наиболее эффективна с помощью универсальных языков программирования. В связи с этим, была проведена работа по совершенствованию и адаптации к различным условиям эксплуатации комбинированных средств программирования, состоящих из средств GPSS и универсальных языков программирования типа C++.

В настоящее время актуальной является задача переноса предложенных разработок в среду GPSS WorldTM, предоставляющая большие возможности для визуализации процедур моделирования и другие современные возможности.

Литература

1.      Власов С.А., Малый С.А., Томашевская В.С., Тропкина А.И.  Интегрированное проектирование металлургических комплексов. М.: Металлургия, 1983.

2.      Vlasov S.A., Belov A.D. Computer Simulation in CAD-CAM-CAPP System For Steelmaking. Preprints of 8-th IFAC Symposium on Automation in Mineral and Metal Processing, Sun City, South Africa, 1995, p.p. 139–144.

3.      Cмирнов В.С., Ваулинский Е.С., Власов С.А.  Методы и модели управления проектами металлургических объектов. Препринт. М., Институт проблем управления, 1998.

4.      Рожков И.М., Власов С.А., Мулько Г.Н.  Математические модели для выбора рациональной технологии и управления качеством стали. М.: Металлургия, 1990.

5.      Смирнов В.С., Ваулинский Е.С., Власов С.А.  Развитие и применение методов управления проектами для металлургических объектов. Международная конференция по проблемам управления (29 июня-2 июля 1999 г.): Избранные труды, том 2, М., 1999, с. 191–200.