Создание интеллектуальной системы управления для технологических комплексов предприятий алюминиевой промышленности

Abstract

Актуальность. Алюминиевая промышленность является одной из значимых мировых отраслей и отличается высокой экологической нагрузкой, ресурсоемкостью и энергоемкостью. Для снижения негативного влияния алюминиевого производства ведутся работы по совершенствованию его технологических процессов, нацеленные на повышение доли извлечения алюминия, снижение объемов отходов и снижение энергозатрат. Задача снижения энергоемкости производства решается в том числе за счет внедрения систем управления энергопотреблением. В силу сложности и многосвязности технологических процессов производства алюминия для таких систем управления неэффективно применение традиционных линейных подходов и требуется построение адекватных математических моделей. При этом на уровне производства использование математических моделей, опирающихся на феноменологическое описание протекающих физических процессов, чрезмерно усложняет задачу управления, вследствие чего актуальным является использование интеллектуальных и адаптивных подходов и к построению моделей технологических процессов, и к решению задач оптимального управления энергопотреблением. Объекты: технологические комплексы предприятий алюминиевой промышленности, обладающие свойствами инерционности, нелинейности и замкнутости; система управления на основе методов искусственного интеллекта. В качестве иллюстрации выбрано производство глинозема. Цель: разработка моделей, способных адекватно описывать взаимосвязанные процессы, протекающие в рассматриваемых технологических комплексах, а также разработка системы управления, позволяющей решать задачи оптимального управления энергопотреблением. Методы: для моделирования технологических процессов производства алюминия на основе балансовых уравнений в условиях неопределенности применена теория нечетких множеств, а также метод градиентного спуска для идентификации параметров модели; в задачах оптимизации использован метод генетического алгоритма. Результаты. Разработаны модель баланса материальных потоков и модель изменения технологических режимов, определяющие энергопотребление технологических комплексов предприятия алюминиевой промышленности с непрерывным инерционным нелинейным замкнутым производством. На базе полученных моделей определены динамические характеристики энергопотребления, а также параметры протекания технологических процессов в зависимости от основных управляемых параметров, что позволяет предсказывать аварийные ситуации. Решена оптимизационная задача управления энергопотреблением непрерывного производства с учетом технологических параметров и стоимостных факторов

Relevance. Aluminum production is one of the most important industries all over the world. It has a high environmental load, resource and energy intensity. To reduce the negative impact of aluminum production, efforts are underway to improve its technological processes, aimed at increasing aluminum recovery rates, reducing waste volumes, and lowering energy consumption. The reduction of energy consumption can be achieved, among others, through implementing control systems that provide energy management. Due to the complexity and multiplicity of technological processes in aluminum production, the use of traditional linear approaches for such control systems is ineffective, and adequate mathematical models are required. At the same time, for the production level, the use of mathematical models based on a phenomenological description of the ongoing physical processes overly complicates the control task. As a result, the use of intelligent and adaptive approaches to both the mathematical description of technological processes and the optimal energy consumption management is relevant. Objects. Technological complexes of aluminum production, which have the properties of inertia, nonlinearity, and closedness; and the control system based on artificial intelligence methods. Alumina production is chosen as an illustration. Aim. To develop mathematical models capable of adequately describing the interrelated processes in the technological complexes under consideration, as well as the control system that allows optimal energy consumption management. Methods. For the mathematical model based on balance equations under uncertainty, the fuzzy-set theory was used along with the gradient descent method to identify the model parameters; for the optimization task, the genetic algorithm method was used. Results. The mass balance model and the process conditions changing model have been developed to determine the energy consumption for the technological complexes of aluminum production with continuous inertial nonlinear closed production. Based on these models, the dynamic characteristics of energy consumption and the parameters of technological processes were determined depending on the main controlled parameters, allowing us to predict emergencies. Considering technological parameters and cost factors, the optimization task for energy consumption management was solved