Причинно-следственный подход для системного анализа производства листового стекла

УДК 510.67

Ю.А. Аветисян, В.С. Домнич, Д.Ю. Петров

ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫЙ ПОДХОД ДЛЯ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОГО СТЕКЛА

В статье рассматривается проблема построения моделей для описания производства стекла флоат-способом. Предлагается использовать модели в виде причинно-следственных комплексов, чтобы обеспечить адекватное представление разнородных процессов в производственной системе.

Причинно-следственные связи, моделирование сложных систем, флоат-процесс

YuA. Avetisian, V.S. Domnich, D.Yu. Petrov

CAUSE-EFFECT METHOD TO SYSTEM ANALYSIS PLATE GLASS

PRODUCTION PROCESS

In the article there problem of float-glass factories modeling is considered. Usage of models in form of cause-effect complexes is proposed to provide adequate representation of heterogeneous processes in production system.

Cause-effect relations, complex systems modeling, float-process

Производство стекла флоат-способом представляет собой сложный комплекс различных по природе процессов. Разнородный характер реализуемых процессов затрудняет использование существующих средств математического моделирования для представления подобных производств. Следовательно, для исследования систем такого типа необходимо использовать новые модели и методы, которые позволят адекватно представлять взаимодействия различной природы. Одним из средств, ориентированных на решение данной проблемы, является теория причинно-следственных комплексов [1].

В основу теории положена формализация причинно-следственных связей, реализуемых в системе, на основе представления их звеньями специальной структуры. Звено включает группу причины, состоящую из причины и условия реализации причинноследственной связи, и группу следствия, образованную следствием и условием, возникающим после реализации связи. Причина, следствие и условия представляются элементами некоторого универсума содержимое которого определяется конкретной областью приложения. Ядро описывает связь активного воздействия (причины), дополненного пассивными факторами (условием 1), с результами, согласующимися с целями системы (следствие) и представляющими побочный эффект ее функционирования (условие 2).

Для рассмотрения технологических операций и процессов при производстве флоат-стекла причина, следствие и условия каждого звена образуются пятью составляющими: командно-информационные характеристики, исполнители, оборудование, энергообеспечение, сырье и материалы.

Применение теории причинно-следственных комплексов для моделирования производства флоат-стекла имеет ряд существенных особенностей. В качестве основы для построения ПСК используются некоторые положения теории конечных

детерминированных автоматов, которые являются дискретными математическими структурами. Однако производство флоат-стекла включает значительное количество сложных значимых технологических процессов, реализация которых происходит во времени непрерывно. Чтобы обеспечить возможность применения причинноследственных комплексов для моделирования такого производства, будем рассматривать функционирование предприятия в дискретном времени: t1,12,..., tn,... с шагом h .

Технологические процессы выработки ленты стекла и операции, образующие их, реализуются для единого объема стекломассы. Для представления таких операций дискретными звеньями причинно-следственных связей требуется условно разделить этот объем на составляющие, относящиеся к различным операциям. Рассмотрим движение стекломассы на границе технологических участков, соответствующих двум операциям.

Выделим в непрерывном объеме стекломассы фрагменты, соответствующие геометрической форме и размерам выбранных технологических участков. При переходе от одного такта к другому фрагмент стекломассы первого участка (рис. 1 а) совершит некоторое перемещение, в результате часть стекломассы перейдет на второй участок, а другая - останется на первом участке (рис. 1 б), формируя условия дальнейшей реализации соответствующей технологической операции.

Граница V Границах

: \ технологических \

\ г операций г

£ 3

Т ехнологический Т ехнологический

б

а

Рис. 1. Деление непрерывного участка стекломассы на дискретные фрагменты: а - момент времени б - момент времени ^.1

Построим общую схему соединения звеньев причинно-следственных связей, моделирующих две технологические операции, из которых одна непосредственно предшествует другой в технологической карте производства флоат-стекла. В качестве причины звена выберем поступление очередного фрагмента стекломассы на соответствующий технологический участок. Условием 1 будет служить объем стекломассы, имеющейся на данном участке, а также совокупность физико-химических, технических, энергетических и иных факторов, из которых складываются технологические условия обработки стекла. Следствием звена является завершение прохождения операции некоторым фрагментом стекломассы и его выход за пределы соответствующего технологического участка. Условие 2 включает объем стекломассы, оставшийся для дальнейшей обработки на технологическом участке, а также состояние оборудования, оставшиеся запасы сырья и иные факторы, которые будут влиять на процесс в следующий момент дискретного времени.

Для каждого из звеньев требуется построить циклическую конструкцию -отождествить условие 2 с условием 1 этого звена, но на следующем такте его работы. Такой конструкции соответствует операция o20 алгебры звеньев причинно-следственных

связей [2]. Обозначим ^ = o20 (И1) и H/ = o20 ^2), где H1, H2 - звенья, представляющие

соответственно реализацию первой и второй технологической операции на одном интервале дискретного времени. Чтобы отразить в причинно-следственной модели переход материальных, энергетических и информационных ресурсов между технологическими операциями, отождествим следствие звена H1/ с причиной звена H2, применяя к ним операцию o1. Полученное в результате звено H3 = o1 (И/, H2) является составным звеном причинно-следственных связей, моделирующим рассматриваемые технологические операции с учетом связей между ними.

Команда на изменение режима выработки

Произведенное стекло

Технологическая карта производства флоат-стекпа

Обслуживающий персонал.

Оборудование для приготовления шихты. Стекловаренная печь. Ванна расплава. Печь отжига. Оборудование для концевых операций.

Электроэнергия. Газ. Холодная вода._______________

Сырье для приготовления шихты. Олово. Запасы газа для формирования защитной атмосферы.

Технологическая карта производства флоат-стекпа

Обслуживающий персонал.

Оборудование для приготовления шихты. Стекловаренная печь. Ванна расплава. Печь отжига. Оборудование для концевых операций.

Электроэнергия. Газ. Холодная вода._______________

Сырье для приготовления шихты. Олово. Запасы газа для формирования защитной атмосферы.

Рис. 2. Генеральное звено причинно-следственных связей для производства флоат-стекла

Рис. 3. Декомпозиция генерального звена

Детализация звеньев, моделирующих технологические операции, осуществляется в соответствии с особенностями протекания процессов, на которые раскладываются эти операции, и может опираться на иную схему соединения звеньев.

Построим комплекс причинно-следственных связей для производства стекла флоат-способом, выполнив детализацию технологического процесса формования до образующих его операций. На рис. 2 представлено генеральное звено причинноследственных связей, представляющее процесс производства в целом.

Следующий уровень комплекса причинно-следственных связей содержит более детальное представление генерального звена - композицию звеньев, в которых сгруппированы основные типы технологических процессов производства.

Процессы, на которых осуществляется выработка стекла, и реализации которых следуют непосредственно друг за другом, сосредоточены в звене «Основной производственный цикл». Процессы приготовления шихты и концевых операций, имеющие другую закономерность выполнения во времени, представлены отдельными звеньями. Схема соединения звеньев на данном уровне комплекса изображена на рис. 3.

Рис. 4. Декомпозиция звена «Основной производственный цикл»

Рис. 5. Декомпозиция звена «Формование»

Звено «Основной производственный цикл» моделирует выработку полотна стекла, готового к нарезке на заданные размеры, и включает в себя технологические процессы стекловарения, формования и отжига. Декомпозиция данного звена представлена на рис. 4.

Последний этап декомпозиции рассмотрим на примере звена «Формование». Структура данного звена представлена на рис. 5.

Таким образом, в результате системного анализа производства листового стекла выполнена декомпозиция на основе причинно-следственного подхода. Данное представление информации позволяет при наличии экспертных данных о ходе технологического процесса решать задачи обучения персонала, анализа причин аварийных и предаварийных ситуаций и построить информационно-советующую систему для операторов стекольных производств.

ЛИТЕРАТУРА

1. Резчиков А.Ф. Причинно-следственные комплексы как модели процессов в сложных системах / В.А. Твердохлебов, А.Ф. Резчиков // Мехатроника, автоматизация, управление. М.: 2007. № 7. С.2-8.

2. Резчиков А.Ф. Причинно-следственные модели производственных систем / А.Ф. Резчиков, В.А. Твердохлебов. Саратов: Изд. центр «Наука», 2008. 138 с.

Аветисян Юрий Арташесович -

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем точной механики и управления РАН

Домнич Владимир Сергеевич -

аспирант Института проблем точной механики и управления РАН

Петров Дмитрий Юрьевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 05.10.10, принята к опубликованию 28.10.10