Design and implementation of a set of programs for modeling the technological process of forming aluminum alloys based o.pdf Процесс изучения действующих технологических этапов производства цветных металлов, включая детальный анализ установившихся принципов формирования алюминиевых сплавов, позволяет не только выявлять, но и планомерно систематизировать основные негативные тенденции, оказывающие непосредственное влияние на конечную себестоимость и совокупность конкурентных характеристик выпускаемой продукции в рамках установленных спецификаций портфеля заказов [1]. При этом наличие сложной структуры исследуемых многопараметрических объектов [2], а также присутствие трудно формализуемых или скрытых технологических особенностей предопределяют необходимость внедрения и использования современных средств информационных технологий при проведении серии соответствующих научно-исследовательских мероприятий, предназначенных для рационализации установившихся режимов изготовления алюминиевых сплавов различных марок. Развитие сферы информационных технологий и постоянное совершенствование инструментов программной разработки определяет широкие функциональные возможности для реализации специализированных программных комплексов, предназначенных для математического моделирования и осуществления непрерывного мониторинга ключевых технологических параметров, определяющих последовательность и точность выполнения заданных производственных операций [3]. Также представленный подход способствует безопасному проведению необходимого количества вычислительных экспериментов [4], а полученные при этом результаты могут быть использованы для информационно -событийной поддержки технологического персонала и последующей выработки эффективных управляющих воздействий с целью сохранения минимальных технико-экономических показателей промышленного производства [5]. В данном случае это непосредственно влияет на безопасность организации рабочего процесса за счет снижения случаев возникновения аварийных ситуаций в результате использования средств компьютерного моделирования, а также определенно способствует повышению текущего уровня квалификации технологического персонала [6, 7]. Компьютерное моделирование является универсальным инструментом для исследования сложных технологических систем [8], к которым относится и процесс формирования алюминиевого расплава различных марок в плавильном миксере. Вместе с тем математическое представление техноло-110 Проектирование и реализация комплекса программ для моделирования технологического процесса гического процесса изготовления алюминиевых сплавов для последующей программной реализации определяется моделью материально-теплового баланса взаимодействующих веществ, а также дополнительной моделью динамики, характеризующей последовательность модификации жидкого алюминиевого расплава с использованием исходного алюминия-сырца с установленным химическим составом из набора доступных литейных ковшей [9]. При этом, затрагивая аспекты изучения алюминиевой промышленности, имеется возможность обратиться к научно-практическим исследованиям Б.М. Горенского, которые содержат различные примеры специализированных программных комплексов, использующих сходные математические модели реальных технологических процессов. Одним из таких программных комплексов является «Автоматизированная обучающая система управления электролизом алюминия», разработанная в непосредственной близости от крупного промышленного предприятия КрАЗ в г. Красноярске. Основное предназначение данной системы заключается в том, чтобы предоставить пользователю возможность близко ознакомиться с одним из наиболее важных этапов производства алюминия, а именно с технологией электролиза алюминия. Другим примером является «Компьютерный тренажер для исследования процесса плавки в рудно-термических печах». Данный программный комплекс предназначен для приобретения опыта коррекции при протекании технологического процесса переработки медноникелевых сульфидных руд, а также для психологической подготовки сотрудников предприятия к возникновению нештатных ситуаций. Этот тренажерный комплекс построен на основе имитационной математической модели, определяющей материально-тепловой баланс плавки рудного агломерата в рудно-термической печи. Аналогичным примером программной реализации действующего технологического процесса является «Компьютерный тренажер для исследования процесса спекания нефелино-известняковой шихты во вращающихся печах». Основной целью разработки данного тренажера является необходимость закрепления теоретического материала по технологии спекания нефелиново-известняковой шихты во вращающихся плавильных печах с учетом различных температурных условий [10]. Таким образом, профессиональное применение IT-инструментов предоставляет расширенные возможности для графической визуализации и динамического воспроизведения различных выходных характеристик исследуемых технологических объектов в ответ на выработанные управляющие воздействия, представленные в виде входных сигналов специального вида. 1. Содержательная постановка задачи В результате рассмотрения основных технологических этапов производства алюминиевых сплавов определена необходимость проектирования специального программного обеспечения для литейного отделения алюминиевого предприятия компании РУСАЛ, предназначенного не только для визуального моделирования вычислительных экспериментов, направленных на формирование алюминиевого расплава, но и для повышения уровня квалификации технологического персонала функционирующего литейного отделения. Как оказалось, ни на одном из предприятий компании нет совершенной образовательной базы для обучения технологического персонала основам шихтовки алюминиевых сплавов. Изучение основ производства осуществляется в учебных классах традиционным способом либо в непосредственной близости от производственных агрегатов, что является устаревшим и небезопасным подходом. Получается, что процесс шихтовки расплава в большей степени зависит от навыков и трудового опыта шихтовщика. На сегодняшний день процесс модификации расплава происходит эмпирическим путем, т.е. методом проб и ошибок, на основе использования неэффективных средств расчета, предназначенных для вычисления количества массовых добавок имеющихся компонентов, что приводит к ошибкам шихтовки и увеличению себестоимости изготовления металла. В связи со сложившимися обстоятельствами предлагается разработать комплекс программ в виде автоматизированной информационно-обучающей системы «Алюминщик», которая бы позволила моделировать процесс формирования алюминиевых сплавов с учетом различных требований и ограниче-111 С.Н. Калашников, Е.А. Мартусевич, Е.В. Мартусевич, И.А. Рыбенко, В.Н. Буинцев ний, а также обеспечивала поиск оптимального варианта решения технологической задачи шихтовки. При этом требуется последующее тестирование реализованных функциональных возможностей данного программного продукта с использованием технологических данных. Стоит отметить, что разработанное программное решение планируется ввести в эксплуатацию на алюминиевых предприятиях компании РУСАЛ. Также немаловажным намерением является идея внедрения данной информационно-обучающей системы в учебный процесс высших учебных заведений на соответствующие металлургические специальности, преимущественно для профориентационных мероприятий и стимулирования обучающихся к получению новых знаний. 2. Проектирование и реализация специализированного комплекса программ Известно, что любая производственная деятельность в большинстве случаев оценивается по экономическому критерию и в первую очередь зависит не только от общей степени обученности, но и от действующего уровня квалификации технологического персонала промышленного предприятия. В целом повышение квалификации рабочих кадров является наиболее перспективным способом увеличения эффективности любого бизнес-процесса, так как при этом не требуется приостановка работоспособности дорогостоящих производственных агрегатов. Вместе с тем к основополагающим производственным показателям относятся параметры производительности предприятия и доля неверных управляющих воздействий, приводящих к негативным экономическим издержкам. С точки зрения образовательного подхода исходный набор знаний любого сотрудника является основополагающим ядром для дальнейшего обучения. Далее на основе уже полученных знаний формируются новые практические умения и умственные навыки, а также нравственные убеждения и общее мировоззрение. Однако, умение - это лишь промежуточный этап освоения новых способов выполнения конкретных действий с учетом каких-либо правил, а навыки - набор сознательных действий, выработанных в процессе неоднократного решения определенных типов задач в различных условиях [11]. Таким образом, после прохождения первоначального обучения, основанного на традиционных методах познания в виде теоретических занятий, необходимо последовательное вовлечение сотрудников предприятия в производственный процесс с соблюдением всех мер безопасности. Однако в случае сохранения высокого риска возникновения аварийных ситуаций или при отсутствии должного экспертного контроля в процессе практического обучения возникает необходимость использования специализированных тренажерных комплексов, обеспечивающих непрерывный контроль управляющих воздействий на основе установленных эталонных значений, определяющих наиболее оптимальный режим управления выбранным технологическим процессом [12]. С учетом этого на рис. 1 представлена обобщенная структура взаимодействий основных компонентов информационно-обучающей системы «Алюминщик». В разрабатываемой системе выделяется три основных контура. Первый контур инициирует процесс обучения, в котором обучаемый при получении задания Уз формирует собственный набор управляющих воздействий Ху, который определяет некоторый вариант решения поставленной расчетно-технологической задачи эмпирическим путем на основе математической модели технологического процесса. Во втором контуре происходит предварительный расчет оптимальных (эталонных) управляющих воздействий Хо, к которым нужно приблизиться обучаемому в полученном решении. Наконец, третий контур обеспечивает анализ и интерпретацию совершенных ошибок по выбранному критерию F, а также осуществляет автоматическую генерацию информационных подсказок или рекомендаций для пользователя компьютерной системы. Следовательно, в каждом контуре выполняется задача оптимизации по определенному критерию с учетом сформированных исходных данных и различных настраиваемых ограничений. При этом эталонные значения управляющих воздействий Хо рассчитываются на основе сложившихся условий минимизации [13] исходных ошибок управления по заданному критерию Qo: Q0 = (Y0 -Уз)2 ^ min. (1) 112 Проектирование и реализация комплекса программ для моделирования технологического процесса Рис. 1. Структура информационно-обучающей системы «Алюминщик» Fig. 1. The structure of the information and training system «Aluminshchik» Оценка эффективности проведенного процесса обучения F определяется как квадрат разности пользовательских и оптимальных значений параметров управления: F = (Xy -X0)2 ^min. (2) По результатам данной оценки определяется величина отклонения, характеризующая факт достижения заданной степени обученности пользователя системы. В зависимости от полученных результатов формируются соответствующие информационные подсказки и рекомендации с учетом накопленных типовых ошибок, хранящихся в библиотеке данных. Далее, в соответствии со сформированными условиями поставленной расчетно-технологической задачи, осуществлены разработка и программная реализация специализированной информационнообучающей системы «Алюминщик» на основе объектно-ориентированного языка программирования C# с использованием встроенных инструментов среды разработки Microsoft Visual Studio Community. Данная среда разработки обладает многофункциональными возможностями по взаимодействию исполняемого кода с сервисными службами операционной системы Windows, а также имеет набор открытых скомпилированных библиотек, повышающих гибкость разработки за счет потенциала их внедрения в разрабатываемое решение [14, 15]. Также в ходе работы был произведен подбор графических компонентов пользовательского интерфейса, в том числе специальных компонентов, предназначенных для организации хранения, ввода и вывода системной информации. Для редактирования и просмотра отображаемых данных применены диалоговые окна, исключающие выполнение недопустимых пользовательских действий. Программная реализация структуры данного программного комплекса представлена в виде основополагающих классов технологических объектов. Экземпляры таких классов беспрепятственно взаимодействуют между собой и хранят первичную информацию об объектах программы, а также производят корректирующую обработку данных, передаваемых в конструктор класса. В информационно-обучающей системе «Алюминщик» используется три основных класса: Form (Форма), Mixer (Миксер) и Bucket (Ковш). Класс Form является системным и обеспечивает отображение основных визуальных компонентов пользовательского интерфейса, а также предназначен для хранения множества полей и методов, обеспечивающих работоспособность всей программы с момента ее запуска. Класс Mixer служит для хранения и обработки данных о технических характеристиках плавильного миксера и содержит описание соответствующего набора полей данных. Класс Bucket 113 С.Н. Калашников, Е.А. Мартусевич, Е.В. Мартусевич, И.А. Рыбенко, В.Н. Буинцев предназначен для хранения и обработки данных о доступных литейных ковшах и содержит детальное описание собственного уникального набора полей данных. Рис. 2. Пользовательский интерфейс информационно-обучающей системы «Алюминщик» Fig. 2. User interface of the information and educational system «Aluminshchik» Как итог, на рис. 2 представлен результат применения соответствующих средств программной разработки, позволивший реализовать интерактивный интерфейс пользователя информационно-обучающей системы «Алюминщик», обеспечивающий динамическое отображение технологических особенностей производства алюминиевых сплавов. Заключение Представленные результаты научно-исследовательской работы позволили осуществить высокоуровневую объектно-ориентированную программную реализацию специального комплекса программ в виде автоматизированной информационно-обучающей системы «Алюминщик». Данная компьютерная система предназначена для осуществления математического моделирования и выполнения визуализации технологического процесса формирования алюминиевых сплавов за счет соответствующего набора функциональных возможностей. Кроме того, наличие динамической библиотеки исходных компонентов расплава, а также использование алгоритмов интеллектуальной поддержки пользователя предопределяют возможность настройки и проведения серии различных сценариев вычислительных экспериментов. Таким образом, предложенная компьютерная система является инструментом для снижения количества ошибок шихтовки алюминиевого расплава за счет повышения уровня квалификации технологического персонала, что, несомненно, способствует улучшению качества готовой продукции и сопутствующих технико-экономических показателей литейного отделения в результате поиска более рациональных вариантов распределения доступных материальных ресурсов.

Скачать электронную версию публикации