Об информационной системе
управления качеством химико-технологического процесса
Е.В. Бабушкин,
студ., evbabushkin@gmail.com
В.Л. Чечулин,
матем., прогр., соиск.,
chechulinvl@rambler.ru
ГОУ ВПО Пермский государственный университет, г. Пермь
Аннотация
В статье рассматривается
архитектура программного продукта, реализующего метод пространства состояний
управления качеством сложных химико-технологических процессов, в приложении к
построению информационной системы управления качеством процесса хлорирования
титаносодержащей шихты. Разработанный программный модуль использует метод
главных компонент, как обладающий свойством наименьшей ошибки, указанно на некоммутативность категорной
диаграммы обработки данных, что отличает рассматриваемый способ решения задачи
управления от имевшихся ранее подходов, с коммутативными диаграммами.
Abstract
In
the article the arcitecture of programme product is observed, which represents state
space method of quality controll of difficult chemical-engineering processes,
in the application to the construction of information management system of
chlorination of titaniferous charge material process quality. The worked
out program module uses the method of principal components, as
having least error characteristics, noncommutativity of category data
manipulation diagramm is shown, that distinguishes the observed method of
problem solving from the methods which have been had before with commutative
diagrams.
1. Предисловие
Рассмотрим
задачу управления качеством сложных химико-технологических процессов на примере
построения информационной системы управления качеством процесса хлорирования титаносодержащей
шихты.
Под
термином «хлорирование» подразумевают обычно процесс, в котором хлор в том или
ином виде взаимодействует с окислами элементов или другими их соединениями,
образуя хлориды или оксихлориды, выделяемые в форме индивидуальных химических
веществ или их смесей.
Преимущество
процесса хлорирования перед другими металлургическими процессами заключается в
том, что получаемые при этом хлориды элементов имеют температуру плавления и
кипения значительно ниже температур плавления и кипения окислов или других
соединений соответствующих элементов. Это важное свойство хлоридов позволяет
выделить те или иные полезные компоненты сырья при более низких температурах и
с использованием более простых технологических приемов.
Резкое
различие физических свойств хлоридов – температуры плавления, кипения, сублимации
– позволяет разделить отдельные элементы или группы элементов обычной
термической разгонкой с последующей фракционной конденсацией. В производстве
титана, циркония, ниобия применение хлорирования окисных соединений этих элементов
является основным способом получения этих элементов. В результате хлорирования
происходит либо окисление металла хлором, либо замещение кислорода оксидов
хлором.
Задача
оптимизации процесса хлорирования сводится к минимизации риска (в денежном
выражении) недополучения готового продукта относительно риска (в денежном
выражении) напрасной растраты хлора. Таким образом, экономическая составляющая
очевидна.
Также
важна экологическая составляющая. Решение такой оптимизационной задачи
позволяет подавать на вход дозируемые вещества таким образом, что будет предотвращено
накопление углерода в расплаве, которое нежелательно по причине необходимости в
случае такого накопления периодического дожигания углерода дутьем воздуха,
приводящего к вскипанию расплава, а иногда и к выбросам газов в атмосферу.
2. Некоммутативность категорной диаграммы
Пример полной оптимизационной диаграммы для задачи
управления качеством процесса хлорирования титаносодержащих концентратов,
описанной ранее в [2] приведён на рис. 1. Основным компонентом программного комплекса
(работоспособным и в минимальном варианте) является часть, относящаяся к
решению задачи 4-го уровня. В терминах теории категорий [5] диаграмма этой
части программного комплекса такова:
рис. 1 Категорная диаграмма обработки данных в программном комплексе
где
O — база данных результатов измерений и параметров управления, М — модельное
представление параметров, P — перенормированное (относительно единиц
подпространств состояний) представление параметров, D — пространство рекомендуемых
параметров; отображения: a — модельное преобразование данных, с — проецирование
на 3-х мерное пространство состояний, f — перенормировка проекций, b, d —
определение, статистическим методом (по 2-х мерной выборке), рассогласования
модельной и статистически оптимальной величины параметра управления.
Легко
видеть, что эта диаграмма — некоммутативна, ввиду наличия отношения
перенормировки f, f — не единичное отображение, т. е. ab ≠ cd,
в связи с тем, что модель отличается от действительного объекта (процесса) и устройства
измерения параметров имеют ограниченную точность.
Можно
сделать следующее утверждение: Категорная диаграмма (рис. 1), метода
пространства состояний решения задачи управления на 4-м уровне системы — некоммутативна.
Некоммутативность
диаграммы влечёт невозможность использования детерминистских методов управления
(например классических способов теории автоматического управления, использующих
аппарат интегро-дифференциальных уравнений и преобразование Лапласа),
применимых в иных случаях [6] [7].
рис. 2 Архитектура программного комплекса
Реализация программного продукта управления качеством
химико-технологического процесса
Программный
продукт состоит из трех основных составляющих:
1.
Конструктор реакций
2.
Приближённого моделирования, и нормировки данных о процессе.
3.
Определения оптимума управления статистическим методом.
В
первом подмодуле устанавливаются параметры уравнений реакций химико-технологического
процесса (рис. 3):
рис. 3. Конструирование уравнений реакций химико-технологического процесса
Следующий
подмодуль служит для полуавтоматизированной фиксации оператором через заданный
промежуток времени данных о текущем процессе, или для ввода данных по
исследуемому процессу (рис. 4)
рис. 4. Подмодуль ввода и обработки данных
Пример
обработки модельных данных о процессе представлен на рис. 5, с указанием полученного
оптимального решения.
рис. 5.
Отчет "Содержание TiO2 в расплаве относительно коэффициента
избытка хлора".
Заключение
Архитектура программного комплекса, предназначенного для управления качеством химико-технологических процессов является общей для широкого класса процессов [2], [3], [4], ввиду использования единого метода пространства состояний для решения этих задач. Наличие такой общей архитектуры облегчает создание информационных систем управления качеством для разнообразных процессов.
Литература
1.
Чечулин В. Л., Бабушкин Е. В., Программа реализации алгоритма
"Определение точки оптимума метода пространства состояний методом главных
компонент", ОФАП РФ, свид. об отрасл. рег. №12314; номер государственной
рег. 50200900340, 11 фев.
2.
Чечулин Л. П., Чечулин В. Л., К информатизации процесса хлорирования
титаносодержащих шлаков // Вестник Пермского университета, сер. «Информационные
системы и технологии», 2007, в. 10, сс. 94-98.
3.
Chechulin, V. L., About informatization of distillation process for
providing required quality of product / Chechulin V. L., Pavelkin V. N.,
4.
Chechulin V. L. Informatization of the process of producing formalin /
Chechulin V. L., Ardavichus V. G., Kolbasina O. V. // Russian Journal of Applied
Chemistry, MAIK Nauka/Interperiodica, 2008, vol. 81, no. 6 (июнь), рр.
1112-1116.
5.
Общая аглебра, в 2-х тт. / Мельников О. В., Артамонов В. А., и
др., общ. ред. Скорняков Л. А., М.:
"Наука", гл. ред. физ.-мат. лит, 1990-1991, 592+480 с.
6. Grizle J. W., Marcus S. I., Symmetries in non linear control systems //
Proc. 22-nd IEEE conf. Decis and conr.,
7.
Shaft A. J. van den, On
nonlinear observers // IEEE Trans. Autom. confr., 1985, v. 30, №12, 1254–1256.
(реферат: РЖ матем. 1986 г., №8, 8Б698.)