Технология и средства разработки информационноaмоделирующих систем для решения технологических задач в металлургии

Выводы

1. Предложена адаптивная система регулирования температуры углеводородного конденсата на выходе из кожухотрубного теплообменника, включающая ПИ-регулятор и последовательное псевдолинейное корректирующее устройство динамических свойств систем автоматического регулирования.

2. Экспериментально показана эффективность предложенной системы регулирования при изменении во времени параметров объекта управления.

3. Применение предложенного корректирующего устройства позволило реализовать систему регулирования объектами с нестационарными параметрами. Устройство можно добавлять в действующие системы регулирования на базе микропроцессоров без дополнительных затрат на аппаратную часть.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Солдатов В.В., Ухаров П.Е. Адаптивная настройка систем управления с ПИД-регуляторами в условиях информационной неопределенности // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2004. - № 8. - С. 16-20.

2. Штейнберг Ш.Е., Залуцкий И.Е., Сережин Л.П., Варламов И.Г. Настройка и адаптация автоматических регуляторов. Инструментальный комплект программ // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2003. - № 10. - С. 43-47.

3. Скороспешкин М.В. Адаптивные псевдолинейные корректоры динамических характеристик систем автоматического регу-

лирования // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. - № 7. - С. 172-176.

4. Скороспешкин М.В., Цапко Г.П. Адаптивный корректор динамических характеристик систем автоматического регулирования // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Труды XII Междунар. научно-технич. конф. студентов и аспирантов. - Т. 1. - М.: МЭИ, 2006. - С. 498-499.

Поступила 01.04.2010 г.

УДК 669.162.28

ТЕХНОЛОГИЯ И СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННО-МОДЕЛИРУЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ В МЕТАЛЛУРГИИ

Н.А. Спирин, В.В. Лавров, А.А. Бурыкин, А.В. Краснобаев*, А.Г. Быков

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург *ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», г. Магнитогорск E-mail: lv@tim.ustu.ru

Отражены технологические особенности и средства разработки программного обеспечения, использованные авторами в ходе создания современных информационно-моделирующих систем для решения технологических задач в области доменного производства, в частности решения задачи оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей.

Ключевые слова:

Технология разработки программного обеспечения, система поддержки принятия решений, доменная печь, технологические задачи в металлургии. Key words:

So ftware engineering, decision support systems, blast furnace, technological problems in metallurgy.

В настоящее время все более очевидной становится роль алгоритмов и компьютерных программ для решения комплекса технологических задач в области металлургии MES-уровня (Manufacturing Execution Systems - системы управления технологией, производственными процессами) современных автоматизированных информационных систем крупнейших металлургических предприятий России. Это определяет потребность в разработке специализированного программного обеспечения информационно-моделирующих систем, в основу которого положен комплекс математических моделей, учитывающих как физику процесса, основы

теории тепло- и массообмена, законы сохранения энергии, так и особенности влияния технологических и стандартных характеристик сырья на показатели производственного процесса. При этом важно обеспечить высокий уровень их интеграции с существующими производственными и корпоративными системами.

Значительную роль в успешном внедрении и использовании информационно-моделирующих систем играет качество разработанного программного обеспечения. Среди наиболее значимых показателей качества современных программных средств выделены функциональность, надежность,

легкость применения и сопровождаемость. Указанные показатели фиксируются во внешнем описании программного обеспечения, которое разрабатывается на основе требований заказчиков. Разработка качественного программного обеспечения информационно-моделирующих систем, невозможна без использования современных технологических подходов и компьютерных инструментальных средств.

Авторами накоплен практический опыт в ходе разработки программного обеспечения компьютерных модельных систем аглодоменного производства ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», позволяющий более качественно использовать существующие на комбинате информационные ресурсы для анализа и прогнозирования производственных ситуаций [1—3]. В основу технологического подхода к разработке программного обеспечения положена итерационная (спиральная) модель, приводящая к выпуску внутренней или внешней версии программного изделия, которое в дальнейшем совершенствуется от итерации к итерации, чтобы стать законченной системой (рис. 1).

Рис. 1. Итерационный технологический подход к разработке программных продуктов

На каждой итерации реализуется часть функционала конечной системы. Каждая итерация представляет из себя законченный цикл разработки продукта, с присущими ему стадиями: анализ требований, проектирование, реализация, отладка, тестирование и опытно-промышленная эксплуатация. Результатом каждой итерации является целостный продукт, который передается пользователям для опытно-промышленной эксплуатации. Основными преимуществами итерационного процесса перед каскадным являются:

• существенно упрощается внесение изменений в проект при изменении требований заказчика;

• уменьшение уровня рисков;

• возможность внесения тактических изменений в проект;

• возможность использования перспективных технологических подходов к программированию.

Каждый из перечисленных процессов разработки характеризуется определенными задачами и методами их решения, исходными данными, полученными на предыдущем этапе, и результатами.

Проектирование. При проектировании систем используется объектно-ориентированный подход.

Объектно-ориентированный подход к проектированию представляет собой современную методологию проектирования, соединяющую в себе процесс объектной декомпозиции и приемы представления логической и физической, а также статической и динамической моделей проектируемой системы [4-7]. Данный подход подразумевает представление системы в виде группы взаимодействующих объектов, каждый из которых представляет некую сущность моделируемой предметной области и характеризуется классом, состоянием и поведением. В процессе проектирования для описания системы с различных точек зрения используются три типа моделей: классов, состояний и взаимодействия.

Модель классов описывает статическую структуру объектов системы и их отношения, определяет контекст разработки программы, то есть предметную область. Цель конструирования классов состоит в том, чтобы охватить те реальные концепции, которые существенны для программного приложения. Модель классов изображается на диаграммах классов.

Модель состояний описывает аспекты объектов, связанные с течением времени и с последовательностью операций, то есть события, связанные с изменениями, состояния, определяющие контекст событий, и упорядочение событий и состояний. Модель состояний описывает последовательности операций, происходящих в системе в ответ на внешние воздействия. Модель состояний охватывает вопросы управления - аспект системы, описывающий порядок осуществляемых операций без учета их фактического значения, участников и реализации. Эта модель реализуется посредством диаграмм состояний.

Модель взаимодействия описывает кооперацию объектов системы для обеспечения необходимого поведения системы как целого. Построение модели начинается с анализа вариантов использования приложения, которые затем уточняются на диаграммах последовательности и диаграммах деятельности. Вариант использования описывает функциональность системы, то есть то, что система делает для пользователей. Диаграмма последовательности изображает взаимодействие объектов и временную последовательность этого взаимодействия.

Три описанные модели являются связанными между собой составляющими полного описания системы. Для создания и документирования моделей используется нотация ИМЬ [8].

Разработчики

Рис. 2. Процесс разработки программного продукта

Разработка. В процессе реализации проектных решений используются системы контроля версий, управления задачами и портал проекта (рис. 2).

Система контроля версий позволяет организовать совместную работу группы разработчиков над одним и тем же проектом. Система контроля версий содержит последнюю версию исходных кодов проекта и позволяет одновременно вносить изменения в исходные коды проекта разными разработчиками. В качестве системы контроля версий используется среда Subversion, к основным преимуществам которой относятся:

• возможность отслеживания версии не только файлов, но и каталогов;

• публикация изменений в нескольких файлах и каталогах, как единой транзакции. Это значит, что либо в хранилище попадают все изменения, либо состояние хранилища не изменяется;

• передача между клиентом и сервером только различий в файлах при любых обновлениях версий;

• поддержка копирования, перемещения и переименования файлов с сохранением истории изменений;

• возможность задания любому файлу и каталогу произвольный набор свойств, состоящих из названия и значения. Свойства тоже находятся под управлением версиями;

• возможность одинаково эффективной работы как с текстовыми, так и с двоичными файлами;

• свободное распространение системы, лицензия аналогична Apache/BSD.

Портал проекта содержит систему управления задачами и систему ведения документации.

Система документации содержит утвержденную ранее проектную документацию. Система ведения документации основана на системе Вики (^Ш). Вики - гипертекстовая среда (обычно вебсайт) для сбора и структурирования письменных сведений пользователей. Характеризуется следующими признаками:

• множество авторов. Система управления доступом к материалам;

• возможность многократно править текст посредством самой вики-среды (веб-сайта), без применения особых инструментариев на стороне редактора;

• проявление изменений сразу после их внесения;

• разделение информации на отдельные страницы, где у каждой есть своё название;

• особый язык разметки, позволяющий легко и быстро размечать в тексте структурные элементы, форматирование, гиперссылки, списки и т. п.

• учёт изменений (учёт версий) текста и возможность отката к ранней версии.

Система управления задачами позволяет планировать процесс разработки программного продукта, учитывать и контролировать ошибки и следить за процессом устранения этих ошибок. Первоначально в систему управления задачами заносятся задачи, которые нужно решить для реализации программного продукта. По мере разработки продукта в систему управления задачами помещается информация об обнаруженных ошибках. Так же в эту систему помещаются «заявки» от пользователей - как сообщения об ошибках и неудобствах, так и запросы на добавление нового функционала.

Главный компонент системы управления задачами - база данных, содержащая сведения о задачах:

• автор задачи;

• дата и время, когда была добавлена задача;

• важность задачи;

• описание задачи;

• кто занимается решением задачи;

• состояние задачи;

• прикрепленный файл, например файл с изображением.

В процессе разработки используется система Trac, которая совмещает систему ведения документации и систему управления задачами. К основным достоинствам системы Trac относится мощная система управления ошибками, наличие движка вики, тесная интеграция с системой контроля версий Subversion, расширяемая архитектура, наличие множества готовых модулей расширений, лицензия - модифицированная BSD лицензия.

На этапе реализации проекта авторами используется принцип непрерывной интеграции. Непрерывная интеграция (англ. - Continuous Integration) -термин, относящийся к разработке программного обеспечения и обозначающий автоматизированный процесс, выполняющий частые пересборки и тесты приложения. Практически это выглядит как отдельный процесс, запущенный на сервере, который следит за изменениями на файловой системе либо в системе управления версиями и автоматически запускает полную пересборку всех модулей приложения и прогон тестов.

К основным преимуществом непрерывной интеграции относятся:

• выявление и исправление проблем интеграции непрерывно, а не в самом конце разработки;

• ранние предупреждения об испорченом/несов-местимом коде;

• немедленное юнит-тестирование всех изменений;

• постоянное наличие «текущей» собранной версии - для тестирования, демонстрации, других применений.

В большинстве проектов использована система CruiseControl.Net, которая представляет из себя автоматизированный сервер непрерывной интеграции. К основным преимуществам этой системы относится:

• работа с различными системами контроля версий;

• работа с различными системами сборки проектов;

• работа с различными системами тестирования;

• наличие web-приложения для отслеживания статуса и детального отчета о сборке проектов;

• свободная лицензия, схожая с лицензиями Apache и BSD.

Отладка и тестирование. Для автоматизированного тестирования продукта после сборки, как правило, разрабатывается набор юнит-тестов. Юнит-тестирование (англ. - unit test) - это процесс, позволяющий проверить на корректность отдельные модули исходного кода программы. Идея состоит в том, чтобы писать тесты для каждой нетривиальной функции или метода. Цель юнит-тестирова-ния - изолировать отдельные части программы и показать работоспособность отдельных частей приложения. В качестве среды юнит-тестирования используется система NUnit.

При разработке информационно-моделирующих систем применялась трехзвенная архитектура (рис. 3). В отличие от «классической» двухзвенной архитектуры «клиент-сервер», в трехзвенной архитектуре, помимо клиента и сервера баз данных, присутствует сервер приложений, выполняющий роль промежуточного звена.

Трехзвенная архитектура включает в себя уровни программного обеспечения, реализующих следующие функции системы (рис. 3):

1. Представление. Предоставление графического интерфейса пользователя и для обеспечения доступа к функциональности системы. Данный уровень может быть реализован как на основе web-страниц, так и на основе «облегченных» версий традиционных приложений.

2. Бизнес-логика. На этом уровне реализуется вся функциональность системы. Он предназначен для извлечения и преобразования данных. Данный уровень реализуется с помощью таких технологий, как RPC, CORBA, DCOM, Java EE и др. Однако, в последнее время все большее распространение получают SOAP и веб-сервисы.

3. Данные. Уровень предназначен для хранения данных. Данный уровень реализуется с помощью систем СУБД.

Рис. 3. Трехзвенная архитектура информационно-моделирующей системы

Такая архитектура имеет ряд преимуществ:

• масштабируемость;

• конфигурируемость - изолированность уровней друг от друга - позволяет быстро и простыми средствами переконфигурировать систему

при возникновении сбоев или при плановом обслуживании на одном из уровней;

• повторное использование программных модулей - модуль размещенный на сервере приложений может использоваться одновременно многими пользователями в составе различных приложений;

• простота интеграции в существующие корпоративные информационные системы;

• высокая безопасность;

• высокая надежность;

• низкие требования к производительности и техническим характеристикам клиентов, как следствие снижение их стоимости.

С учетом описанной выше технологии и средств разработки разработана архитектура информационно-моделирующей системы для оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей, архитектура построения которой отражена на рис. 4. Оптимальное распределение топливно-энергетических ресурсов, в частности инжектируемого топлива и кислорода, в пределах группы доменных печей является актуальной задачей, поскольку технологические показатели работы отдельных печей существенно различаются. Наличие многих факторов и критериев, определяющих эффективность использования комбинированного дутья, а также ограничений на расходы топливно-энергетических ресурсов, существенно усложняет задачу по определению оптимальных параметров дутья, при которых достигаются наилучшие технико-экономические показатели работы, как отдельных доменных печей, так и группы печей или цеха в целом.

При заданных на доменный цех общих расходах инжектируемого топлива и кислорода целесообразно иметь оперативную методику оценки эффективности использования указанных ресурсов на доменных печах и осуществлять их оптимальное распределение. Постановка задачи и основные подходы к ее решению достаточно полно опубликованы в [1, 2] и поэтому здесь не приводятся.

Основу системы составляет сервер приложений. Он выполняет расчеты по оптимизации распределения ТЭР, основываясь на запросах клиента и данных из БД. Сервер приложений включает в себя модули:

• расчет коэффициентов целевой функции;

• формирование ограничений на цех;

• формирование технологических ограничений на печи;

• модуль оптимизации.

Сервер приложений создан на базе Microsoft IIS 7 и технологии .NET Framework. Доступ к функциональности сервера приложений осуществляется с помощью веб-сервисов по протоколу SOAP.

База данных расположена на сервере баз данных Microsoft SQL Server 2005 и содержит усредненные показатели работы доменного цеха, получаемые из существующих систем сбора данных (КИС, Сервера АСУТП и др.).

Клиентское приложение выполнено в виде традиционного Windows приложения на основе технологии .NetFramework. Основными его функциями являются:

• проверка вводимых данных;

• визуализация данных;

• формирование отчетов;

• вызов расчетных процедур на сервере приложений.

Разработанное на основе оптимизационной экономико-математической модели программное обеспечение позволяет прогнозировать значения расходов природного газа и кислорода на каждую из печей с целью получения максимальной выгоды от использования комбинированного дутья при изменении объема выделенных цеху ресурсов, при остановке одной или нескольких печей, при изменении режимных и сырьевых параметров работы отдельных печей и при других технологических ситуациях. Для каждой доменной печи при оптимальной подаче природного газа и кислорода возможно определение следующих показателей ее работы:

Рис. 4. Архитектура информационно-моделирующей системы оптимального распределения ТЭР в группе доменных печей

• расход природного газа, м3/ч;

• расход кислорода, м3/ч;

• расход кокса, т/ч;

• производительность печи, т/ч;

• температура горения на фурмах, °С;

• содержание кремния в чугуне, %;

• содержание серы в чугуне, %;

• удельные затраты тепла в нижней зоне печи, МДж/т чугуна;

• отношение теплоемкостей потоков в шахте, доли;

• степень уравновешивания шихты, доли;

• эффективности использования газа и кислорода, р/ч.

Программное обеспечение предусматривает решение задачи оптимального распределения природного газа и кислорода для двух периодов работы доменных печей: базового и проектного.

Расчет для базового периода производится по фактическим исходным данным, отражающим уже прошедший период работы доменных печей. В этом случае пользователь с помощью программы может оценить, насколько эффективно был использован природный газ и кислород в этом уже состоявшемся периоде. В частности, можно рассчитать для прошедшего периода оптимальный расход природного газа и кислорода на каждую печь, определить показатели работы печей при этих расходах и выполнить сравнительный анализ всех вышеперечисленных показателей при произо-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Онорин О.П., Спирин Н.А., Терентьев В.Л. и др. Компьютерные методы моделирования доменного процесса / под ред. Н.А. Спирина. - Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2005. - 301 с.

2. Спирин Н.А., Лавров В.В., Паршаков С.И., Денисенко С.Г. Оптимизация и идентификация технологических процессов в металлургии / под ред. Н.А. Спирина. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. - 307 с.

3. Спирин Н.А., Ипатов Ю.В., Лобанов В.И. и др. Информационные системы в металлургии / под ред. Н.А. Спирина. -Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. - 617 с.

4. Брауде Э.Дж. Технология разработки программного обеспечения [пер. с англ.]. - СПб.: Питер, 2004. - 655 с.

шедшей (базовой) и оптимальной подаче природного газа и кислорода.

Расчет по программе для проектного периода можно использовать для определения оптимального распределения природного газа, кислорода и показателей работы в проектном периоде, когда предполагается изменение дутьевых параметров работы отдельных печей. В этом случае будут рассчитаны оптимальные значения показателей работы для каждой доменной печи.

Выводы

Показано, что применение современных технологий, средств и методик разработки программных продуктов позволяет создавать функциональные, надежные, легкие в применении, сопровождаемые, интегрируемые системы с минимальными рисками и в приемлемые сроки. Использование разработанной информационно-моделирующей системы в АСУ доменной плавки на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» позволяет решать оперативные задачи управления технологией доменной плавки, обеспечивает повышение эффективности принятия решений инженерно-техническим персоналом в условиях изменений объема топливно-энергетических ресурсов, нестабильности состава и качества проплавляемого железорудного сырья и конъюнктуры рынка.

Работа выполнена в соответствии с Государственным контрактом Федерального агентства по науке и инновациям № 02.740.11.0152.

5. Гамма Э., Хелм Р., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования [пер. с англ.]. - СПб.: Питер, 2007. - 368 с.

6. Фаулер М. Архитектура корпоративных программных приложений [пер. с англ.]. - М.: Вильямс, 2006. - 544 с.

7. Макконнелл С. Совершенный код. Мастер-класс [пер. с англ.]. - М.: Русская редакция; СПб.: Питер, 2007. - 896 с.

8. Рамбо Дж., Блаха М. ИМЬ 2.0. Объектно-ориентированное моделирование и разработка. - СПб.: Питер, 2006. - 544 с.

Поступила 15.01.2010 г.