Актуальность темы
исследования. Исторически сложилось так, что обеспечение эксплуатационной надежности или технического состояния технологического оборудования мануфактур, фабрик и заводов длительное время осуществлялись «до отказа».
Во второй половине прошлого столетия возникло, и успешно применяется до настоящего времени, другое направление обеспечения эксплуатационной надежности оборудования «по системе планово-предупредительных ремонтов» (ППР). Достоинства такой стратегии обеспечения эксплуатационной надежности технологического оборудования общеизвестны. Однако стратегия ППР имеет крупный недостаток, заключающийся в том, что она весьма высокозатратна.
Сегодня, особенно в условиях рыночной экономики, становится очевидным, что нужно переходить к более прогрессивной стратегии обеспечения эксплуатационной надежности технологического оборудования «по его фактическому состоянию». Переход к этой стратегии вызывает необходимость обязательного создания систем технической диагностики и мониторинга (СТДМ) и даже информационных диагностических сетей (ИДС), если технологическое оборудование размещено на большой территории. Многообразие вариантов реализации различных СТДМ и ИДС технологического оборудования по состоянию порождает целый класс нетривиальных научных задач, решение которых в каждом конкретном случае является необходимым. Среди российских ученых, внесших значительный научно-технический вклад в эту область знаний, следует отметить: П. П. Пархоменко, В. В. Клюева, С. А. Тимашева, В. И. Кузякина, Т. З. Аралбаева, Е. Ю. Барзиловича, Г. В. Дружинина, Н. А. Северцева, А. С. Гольдина, Ю. Н. Руденко, И. А. Ушакова, Б. В. Гнеденко, и др., а также зарубежных ученых Дж. Богданоффа, Ф. Байхельта, П. Франкена, Р. Барлоу, Ф. Прошана, Д. Коллинза, Ф. Козина, Т. Юкобори, Р. Ховарда и др.
Вместе с тем, необходимо отметить, что область проблем создания СТДМ в научном плане изучена все еще достаточно слабо. Хотя средства автоматизации контроля технического состояния оборудования появились достаточно давно (более 20-и лет назад), теоретическая база объективного анализа и эффективного синтеза СТДМ все еще недостаточна. Особенно это касается металлургического оборудования. Отсутствие научных методов, позволяющих решать задачи создания СТДМ и информационных технологий, объясняют причину того, что в металлургии процент успешных внедрений таких систем очень низкий.
В этой связи, предлагаемое автором диссертации решение задачи обеспечения эксплуатационной надежности металлургического оборудования Богословского алюминиевого завода — филиала ОАО «СУАЛ» (БАЗ-СУАЛ) по его фактическому состоянию с помощью создания и внедрения экспертной системы с использованием нечеткой логики (нечеткой экспертной системы — НЭС) является весьма актуальным. Для этого автор разработал метод создания экспертных систем с нечеткой логикой для контроля технического состояния оборудования, главным компонентом которых является программно-технический комплекс (ПТК), предназначенный для определения статуса, диагноза, генезиса и прогноза состояния наблюдаемого оборудования. Такая система позволяет управлять процессами восстановления утраченного ресурса технологического оборудования в реальном масштабе времени.
Диссертационная работа выполнялась в рамках Концепции промышленной политики Свердловской области и ряда целевых научно-исследовательских программ министерства металлургии при правительстве Свердловской области, в том числе:
1. Программы реализация государственной промышленной политики в металлургической отрасли Свердловской области, включая горнорудные предприятия, предприятия черной и цветной металлургии, огнеупорного производства, предприятия по добыче и переработке драгоценных и редкоземельных металлов, а так же определение стратегических приоритетов её развития как основы реформирования и развития промышленного комплекса;
2. Программы содействия в техническом перевооружении и реконструкции металлургических предприятий, освоению и выпуску конкурентоспособной продукции.
Объектом исследования тля шея теоретические основы, методы и алгоритмы построения экспертных и диалоговых подсистем, включенных в АСУТП, АСУП, АСОДУ, АСКУЭ и др.
Предметом исследования является технологическое оборудование глиноземного производства (ГП) БАЗ-СУАЛ, нечеткая экспертная система технической диагностики и мониторинга технологического оборудования и информационные технологии управления техническим состоянием оборудования ГП БАЗ-СУАЛ.
Цель и задачи исследования
Цель исследования заключается в создании нечеткой экспертной системы диагностики и мониторинга состояния технологического оборудования ГП БАЗ-СУАЛ.
Цель достигается решением следующих научно-исследовательских задач:
1. Системного анализа стратегий и систем управления техническим состоянием и методов и средств неразрушающего контроля оборудования, а также анализа экспертных систем диагностики и мониторинга состояния технологического оборудования в сфере промышленных предприятий;
2. Рационального выбора низконадежного оборудования ГП БАЗ-СУАЛ и метода неразрушающего контроля;
3. Разработкой метода синтеза НЭС технической диагностики и мониторинга (ТДМ) и информационных технологий управления техническим состоянием оборудования по его фактическому состоянию;
4. Разработкой вербальной, концептуальных и математических моделей оценки статуса технического состояния, диагностирования, прогнозирования останова эксплуатации и восстановление ресурса наблюдаемого оборудования;
5. Разработкой и созданием программного комплекса «KviXar», реализующего информационные технологии НЭС ТДМ;
6. Разработкой ПТК НЭС ТДМ для БАЗ-СУАЛ.
Методы исследования базируются на использовании методов теории систем, системного анализа информационных систем и технологий, теории принятия технических решений, теории нечетких множеств, а также на использовании методов теории шкал.
Научная новизна заключается в том, что разработан новый метод, синтеза нечетких экспертных систем оценки технического состояния контролируемого оборудования, отличающийся от известных методов тем, что в нем изначально используется стохастическая, а затем нечеткая логика оценки, диагностики и прогнозирования событий/состояний. При этом:
7. Систематизированы аналоги и выбраны прототипы стратегии управления техническим состоянием, метода неразрушающего контроля, диаграмм событий/состояний технологического оборудования и экспертной системы контроля технического состояния наблюдаемого оборудования;
8. Построены информационно-диагностические концептуальные и математические модели состояний объекта исследования — ансамбля низконадежного оборудования глиноземного и теплоэнергетического производства БАЗ-СУАЛ;
9. Построены вербальная, концептуальные и математические модели задач, решаемых НЭС ТДМ при оценке, диагностике и прогнозировании событий/состояний;
10. Приближен язык оценки событий /состояний контролируемого оборудования к понятиям естественного русского языка, чем достигнут отказ от сложных экспертных оценок при разработке и от услуг ЛПР при эксплуатации СТДМ;
11. На основе нового метода разработан комплекс программ «KviXar», реализующий нечеткую экспертную систему оценки событий/состояний оборудования глиноземного производства БАЗ-СУАЛ.
На защиту выносятся:
12. Новый метод синтеза НЭС ТДМ и информационной технологии управления техническим состоянием оборудования по его фактическому состоянию;
13. Информационно-диагностические концептуальные модели объектов исследованияансамбля низкопадежного оборудования глиноземного и вспомогательного производства БАЗ-СУАЛ;
14. Вербальная, концептуальные и математические модели задач, решаемые НЭС ТДМ при оценке, диагностике и прогнозировании событий/состояний;
15. Программный комплекс «KviXar», реализующий нечеткую экспертную систему оценки событий/состояний оборудования глиноземного производства БАЗ-СУАЛ.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что предложенный автором диссертации метод создания систем оценки оборудования по его фактическому состоянию позволяет повысить эффективность глиноземного производства за счет снижения времени простоев оборудования в ремонте, снизить себестоимость продукции за счет снижения затрат на ремонты и послеаварийное восстановление оборудования. Кроме того НЭС ТДМ позволяет осуществлять постепенный переход от стратегии ППР к стратегии управления техническим состоянием контролируемого оборудования по фактическому состоянию. Нечеткая экспертная система ТДМ легко и просто встраивается в существующую автоматизированную систему оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ) ГП БАЗ-СУАЛ и может быть использована на других предприятиях цветной и черной металлургии.
Использование результатов исследований. Результаты исследований, выполненные автором диссертационной работы, и разработанный им метод создания НЭС ТДМ были использованы НПФ «ЭДМОН» и ЗАО «РТСофт» при разработке техно-рабочего проекта 1-й очереди переносной автоматизированной системы технической диагностики и мониторинга (ПАСТДМ) ГП БАЗ-СУАЛ, а так же были использованы в учебном процессе при проведении лабораторного практикума в РИ УГТУ-УПИ.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Ш-й международной научно-практической конференции «Болонский процесс: развитие менеджмента и маркетинга» (Екатеринбург, 2006 г.) — международной научной конференции «Информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании» (Екатеринбург, 2006) — международной научно-практической конференции «Связь-Пром 2007» в рамках IV-ro Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬ-ПРОМЭКСПРО 2007» (Екатеринбург, 2007 г.) — IV, V, VI и XI отчетных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ и семинарах кафедр АИТ и АУТС УГТУ-УПИ, РИ-РТФ (Екатеринбург, 2003;2005 гг.).
Личный вклад автора заключается в определении целей и задач исследования, в проведении анализа стратегий и систем управления техническим состоянием оборудования БАЗ-СУАЛ, в разработке метода создания НЭС ТДМ, построении концептуальных и математических моделей задач оценки технического состояния низконадежного оборудования. Кроме того, автор лично принимал участие в разработке программного комплекса «KviXar», реализующего информационную технологию управления техническим состоянием оборудования по его фактическому состоянию.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 132 наименования и 5 приложений. Диссертация содержит 144 страницы машинописного текста, включая 59 рисунков и 12 таблиц.
4.4 Выводы по Главе 4.
После проведения обследования и проектирования переносной автоматизированной системы технической диагностики и мониторинга для Богословского алюминиевого завода — филиала ОАО «СУАЛ и создания учебной системы технической диагностики и мониторинга состоянии макета двигателя с использованием КП «КвиХар» можно сделать следующие выводы:
• Системы с использованием КП «КвиХар» могут обеспечить создание необходимых и достаточных условий постепенного перехода от системы ППР к стратегии технической эксплуатации ОТО по его фактическому состоянию.
• Системы с использованием КП «КвиХар» обеспечивают получение, хранение и выдачу всем заинтересованным службам информации о статусе и диагнозе технологического оборудования, а так же позволяют вычислять и прогнозировать ориентировочную дату техобслуживания, среднего и капитального ремонтов.
• Созданная система УСТДМ МД позволяет изучить новые методы технической диагностики оборудования с помощью нечетких экспертных систем.
• Спроектированная система ПАСТДМ позволит по информации о статусе, диагнозе и прогнозе состояния технологического оборудования БАЗ-СУАЛ планировать проведение ремонтов, в частности, формирования гибких графиков планово-предупредительного ремонта (ППР), составления дефектных ведомостей и отчетных документов.
• ПАСТДМ с КП «КвиХар» даст возможность значительно упростить процедуру диагностики и сделать её более прозрачной для пользователя. Использование нечеткой логики позволяет не озадачиваться спецификой оборудования и значениями измеренных параметров — нечеткая логика делает работу с системой диагностики удобной и простой.
• Оценка эффективности внедрения системы ПАСТДМ, проведённая в данной работе показывает достаточно хорошую ресурсную эффективность. По вычисленным показателям срок окупаемости системы ПАСТДМ с КП «КвиХар» составит менее 2 лет, что является хорошим показателем для систем диагностики и мониторинга.
• Системы, построенные с использованием КП «КвиХар» могут быть внедрены и на других металлургических и энергетических предприятиях Свердловской области и Российской Федерации.
Оценка результатов проектирования ПАСТДМ для БАЗ-СУАЛ и внедрения УСТДМ МД в учебный процесс курса «Информационно-измерительные системы» УГТУ-УПИ подтверждается Актами о внедрении научно-исследовательских работ Харисова А. Р., соискателя ученой степени кандидата технических наук.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Совокупность выдвинутых и обоснованных в диссертационной работе теоретических положений и их практическое использование представляют собой законченное решение важной научно-технической задачи повышения эффективности металлургического производства, в частности, повышения производства глинозема на Богословском алюминиевом заводе — филиале ОАО «СУАЛ» с помощью внедрения современных систем технической диагностики и мониторинга состояния технологического оборудования.
При этом получены следующие научные и практические результаты:
1. Систематизированы аналоги и выбраны прототипы стратегии управления состоянием, метода неразрушающего контроля, диаграммы событий/состояний технологического оборудования и экспертная система контроля технического состояния наблюдаемого оборудования.
2. Разработан новый метод построения НЭС ТДМ и информационная технология управления техническим состоянием оборудования по его фактическому состоянию.
3. Построена информационно-диагностическая, концептуальная модель ансамбля низконадежного оборудования глиноземного производства БАЗ-СУАЛ — «дерево АНК».
4. Построены вербальная, концептуальные и математические модели задач, решаемые НЭС ТДМ при оценке событий/состояний.
5. Приближен язык оценки состояний контролируемого оборудования к понятиям естественного русского языка, чем достигнут отказ от сложных экспертных оценок при разработке и услуг ЛПР при эксплуатации СТДМ.
6. Разработан комплекс программ «KviXar», реализующий НЭС оценки событий/состояний технологического оборудования. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Комплекс программ нечеткой экспертной системы диагностики и мониторинга „КвиХар“ (КП НЭС КвиХар)».
7. Спроектирована и подготовлена к внедрению переносная автоматизированная система технической диагностики и мониторинга (ПАСТДМ) основного технологического оборудования Богословского алюминиевого завода — филиала ОАО «СУАЛ».
8. Создана и внедрена учебная система технической диагностики и мониторинга состоянии макета двигателя (УСТДМ МД) в лабораторный практикум курса «Информационно-измерительные системы» РИ УГТУ-УПИ.
