Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЙ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ РАБОТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ и
1.1. Проблемы и подходы к решению задачи безаварийной работы непрерывного химического производства 14
1.2 характеристика критических и аварийных состояний *q основные принципы построения систем управления технологической безопасностью хтс 23
1.3 Анализ математических моделей, используемых в задачах диагностики технологических систем 26
1.3 1. Логические модели для диагностирования непрерывных динамических систем 28
13 2. Причинно-следственные модели объекта диагностирования зі
1.3 3. Модели в пространстве состояний 37
1 3.4. Параметрическая диагностика на основе интервального анализа 40
1.4. Постановка задачи по управлению технологической БЕЗОПАСНОСТЬЮ НЕПРЕРЫВНЫХ ХТП 42
2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВНЫЕ МОДЕЛИ ХТП ПРОИЗВОДСТВА СЛАБОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ. ПОСТРОЕНИЕ ДИСКРЕТНЫХ АВТОМАТНЫХ МОДЕЛЕЙ КЛЮЧЕВЫХ АППАРАТОВ ПРОИЗВОДСТВА 59
2.1. Построение дискретных моделей на основе метода разделения состояний 62
2.2. Производство САК под единым давлением 0,716 МПа КАК ОБЪЕКТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ 68
2.3. СТРУКТУРНАЯ ДЕКОМПОЗИЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА СЛАБОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ. 75
2.4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КЛЮЧЕВЫХ АППАРАТОВ ПРОИЗВОДСТВА СЛАБОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ 76
2 4.1. Математическое описание реактора окисления аммиака (контактный аппарат) и смесителя 76
2 4 2 Математическое описание абсорбционной колонны so
Реактор каталитической очистки хвостовых газов 84
2.5. ДИСКРЕТНЫЕ МОДЕЛИ КЛЮЧЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА СЛАБОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ 86
3. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ХИМИКО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПРИЗВОДСТВА СЛАБОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ НА ОСНОВЕ ДИСКРЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ зо
3.1. Обоснование возможности построения дискретных моделей непрерывных хтп 90
3.2. построение системы управления хтс на основе конечного автомата . 95
3.2.1. Классы событий 97
3.2.2. Организация работ ы авт омат а управления 99
3.2.3. Описание работы автомата управления юз
3.3. Структура и принципы работы системы управления безопасностью производства слабой азотной кислоты 107
3.3.1. Поиск первичной неисправности элементов технологического оборудования . из
3.4. Распознавание неисправных технологических
IV СТРУКТУР В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ . 120
4. ИНФОРМАЦИОННО-АЛГОРИТМТЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГАСТД ПРОИЗВОДСТВА СЛАБОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ (САК) 145
4.1. Функциональная организация ГАСТД us
4.2. Комплекс прикладного программного обеспечения не
4.3. Реализация ГАСТД производства САК и ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 162
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 164
Введение к работе
Для большинства крупных современных химических предприятий характерна высокая стоимость отказа оборудования, связанная с риском аварии, тяжелыми экологическими последствиями, травмами и человеческими жертвами. Принято различать мероприятия по повышению безопасности технических систем на трех этапах [1]: проектирования, изготовления и эксплуатации. В работе основное внимание уделено исследованию и разработке средств и методов повышения безопасности непрерывных химических производств на третьем этапе - этапе эксплуатации. Работа посвящена рассмотрению вопросов диагностики состояний непрерывных химико-технологических процессов (ХТП) на основе дискретных моделей и построению автоматизированой системы управления технологической безопасностью этими объектами в реальных условиях эксплуатации
В работе под технологической безопасностью понимается свойство ХТС выполнять свои функции без нанесения ущерба:
• окружающей среде;
• здоровью людей работающих в сфере производства;
• оборудованию и системе управления (СУ);
• вызывать какие - либо нарушения регламента ведения ХТП по технологическим причинам, способные повлечь за собой вышеназванные составляющие ущерба.
Технологическая безопасность интерпретируется функциональным свойством соответствующих человеко-машинных систем, в общем случае включающим в себя, как объект управления, источники опасностей (это непосредственно технологический процесс, технологическое обору дование, СУ) и потенциальные жертвы его вредных энергетических и материальных выбросов (обычно людей и окружающую их среду). Множество опасностей порождает множество мероприятий для их нейтрализации.
В исследовании технологической безопасности определяющую роль играют множества опасностей. Понятие технологической безопасности является сложным понятием, качественная и количественная оценка которого формируется анализом отношений множества опасностей и множества мероприятий, нейтрализующих эти опасности Множество источников опасностей и множество защитных мероприятий, нейтрализующих эти опасности, характеризует степень защищенности и формирует оценку безопасности химической технологии
Вместе с тем, мероприятия по обеспечению технологической безопасности как множества (их можно также называть управляющими воздействиями) обладают некоторыми отличительными особенностями С одной стороны, они формируются в прямой зависимости от конкретных опасностей, с другой стороны, отдельные мероприятия по обеспечению технологической безопасности вносят свой вклад в обеспечение безопасности и от других опасностей (обеспечивают безопасность с меньшим эффектом для данной опасности), и тем самым влияют на технологическую безопасность в целом всего ХТП.
Выход химико-технологического оборудования из строя процесс стохастический, что особенно существенно для предприятий с непрерывным характером производства. Поэтому задача диагностики состояний и коррекции неисправностей остается актуальной на протяжении всего периода функционирования химического производства. Одним из путей решения этой задачи является повышение безопасности производств с помощью средств автоматизации.
Актуальность проблемы. Необходимость создания специальной системы диагностики состояний и управления технологической безопасностью определяется трудностью выявления причин повреждения или отказа в сложных химических производствах, к которым относится и производство слабой азотной кислоты (САК). Большинство используемых в настоящее время систем обеспечения безопасности позволяет лишь зафиксировать отказ и остановить технологический процесс для предотвращения аварии. При этом частым явлением оказывается ложное срабатывание систем контроля, что приводит к значительным потерям. Включение в состав АСУ ТП систем автоматизированной диагностики состояний позволяет существенно повысить эффективность обеспечения безопасной эксплуатации химических производств.
На сегодняшний день не существует универсального наилучшего во всех отношениях метода создания диагностических систем, однако можно выделить два принципиальных направления в области технической диагностики химических производств [2]: экспериментальное и основанное на количественных моделях. Вместе с тем существует подход к созданию автоматизированных систем технической диагностики, позволяющий комбинировать результаты экспертного (качественного) и количественного анализа состояния химико-технологического процесса (ХТП). Этот подход заключен в создании гибридных автоматизированных систем технической диагностики (ГАСТД), в которых используются как формализованные, так и неформальные знания и процедуры. Однако до сих пор нет достаточного накопленного опыта таких работ, поэтому задача построения ГАСТД химических производств остается во многом творческой и требует проведения значительного объема исследований.
Такой подход к решению задач технической диагностики химиче А ских производств стал возможен благодаря развитию новых информаци онных технологий [3] и, в первую очередь, благодаря созданию промышленных систем, основанных на знаниях (СОЗ). Создание таких систем для предприятий химической технологии базируется на теории искусственного интеллекта и методах кибернетики и системного анализа ХТГЦ4].
Среди систем искусственного интеллекта (СИИ), нашедших применение в химической промышленности, особо выделяются так называемые экспертные системы (ЭС) [5]. Использование ЭС для повышения J надежности функционирования химических предприятий позволяет сконцентрировать эвристический опыт разработчиков, инженеров-технологов и операторов процесса в системы автоматической логики, что дает возможность повышения стабильности работы химических производств, несмотря на текучесть кадров, человеческую невнимательность, недостаточную подготовленность обслуживающего персонала и другие подобные факторы Особое внимание при разработке диагностических систем прихо дится уделять вопросам учета неопределенности технологической информации при принятии диагностических решений. Это связано как с неточностью или невозможностью измерений отдельных характеристик технологического процесса, так и с неоднозначностью и многовариантностью интерпретаций имеющихся знаний о диагностических свойствах таких сложных объектов, какими являются химико-технологические производства.
Диссертационная работа проводилась в соответствии с государственной научно-технической программой "Безопасность населения и на ™ родно-хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природ v ных и техногенных катастроф", раздел 3: "Безопасность функционирова ния народно-хозяйственных объектов и транспортных средств".
Цель работы и задачи исследования. Целью данной работы является исследование и разработка методов построения ГАСТД для оперативной помощи обслуживающему персоналу в обеспечении безаварийной эксплуатации непрерывных химических производств на основе дискретных моделей.
Для достижения этой цели были поставлены и решены на основе методов системного анализа процессов химической технологии и теории w искусственного интеллекта следующие научно-технические задачи.
? разработка принципов и последовательности анализа состояния работоспособности химического производства в условиях неопределенности диагностической информации на основе применения дискретных моделей, ? построение дискретных диагностических моделей химического производства;
определение возможностей и путей использования комбинированных знаний о диагностических свойствах химического производства, разработка методов качественного анализа состояния работоспособности технологических подсистем.
Научная новизна работы:
? разработан метод построения дискретных диагностических моделей для эффективного оценивания состояния работоспособности технологических подсистем;
? разработана методика учета физической и логической неопределенности технологической информации при оценке состояния на основе дискретных диагностических моделей и принятии решений;
предложены и исследованы методы объединения экспертной и анали v тической диагностической информации;
? исследована и определена эффективность использования дискретных диагностических моделей для целей диагностики в структуре ГАСТД;
? разработан метод поиска первичной неисправности оборудования, основанный на использовании эвристических правил и нечеткого дерева отказов.
Обоснованность научных результатов. Достоверность и новизна основных научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена с с помощью методов системного анализа
В работе использовались и развиты различные разделы системного анализа, теории исследования операций и искусственного интеллекта, современной теории управления, методов математического моделирования и химической кибернетики
Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления "Обеспечение безопасности природно-промышленных систем" и предполагает комплексный подход к развитию теории технической диагно-стики и управления технологической безопасностью применительно к химическим производствам.
Научные результаты получили практическое подтверждение в ходе экспериментальных исследований на действующих химических производствах.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности. Проведенные в работе теоретические исследования представляют собой методические основы для построения ГАСТД в составе АСУ ТП химических производств, что позволяет повысить безопасность их рабо- j\ ты за счет сокращения числа незапланированных остановов и уменьше ния времени на поиск неисправности.
В работе проведена разработка и экспериментальная проверка ме тодики построения дискретных диагностических моделей управления технологической безопасностью ХТП. В соответствии с этим выполнена разработка алгоритмического и программного обеспечения системы диагностики состояний и принятия решений по управлению технологической безопасностью непрерывных химико-технологических процессов. Решены задачи построения программных модулей, реализующих механизмы определения состояний ХТП, наличие событий, состоявшихся в системе, и различные механизмы принятия решений. J Техническое обеспечение систем диагностики на основе дискрет ных автоматных моделей включает персональный компьютер и стандартные средства автоматизации Персональная ЭВМ устанавливается в центральном пункте управления химического производства и используется аппаратчиками, технологами и механиками для обнаружения и прогнозирования технологических, механических и отказов систем управления, установления предаварийных состояний, вычисления управляющих воздействий для вывода процесса из предаварийных состояний и состав ления гибких графиков ремонтов.
Полученные в работе теоретические и практические результаты использованы при разработке систем диагностики ХТП на Новомосковском ПО "АЗОТ". Разработанные программные модули вошли в пакеты прикладных программ (111 111), которые включены в Государственный фонд алгоритмов и програм м (ГосФАП, г. Тверь, НПО "Центрпрограм-мсистем").
Методические и теоретические результаты работы использованы в учебных курсах в Кольском филиале Петрозаводского университета,
™ Тверском государственном техническом университете, Санкт Петербурском горном институте (Техническом университете, вечерний jfv факультет г. Кировска) и в Московском институте РХТУ им. Д.И. Мен делеева.
Основные положения, выносимые на защиту, перечислены в разделе основных результатов диссертационной работы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях: 8-ая Всероссийская научно- техническая конференция «Математические методы в химии» (Тула, 1993), 4-ая Всероссийская научная конференция «Динамика процессов и аппаратов химической технологии» (Ярославль, 1994), Международная " конференция «Математические методы в химии и химической техноло гии» (Тверь, 1995), Международная конференция «Искусственные интеллектуальные системы» (AIS 02), (Геленджик, 2002).
Публикации Результаты, отражающие основное содержание диссертационной работы, изложены в 14 публикациях
Структура и объем работы Структура диссертации отражает последовательность этапов исследований проблемы и состоит из введения, 4? четырех глав и заключения, изложенных на 173 страницах машинопис ного текста с 23 иллюстрациями и 11 таблицами, содержит список литературы из 122 наименований.
Диссертационная работа состоит из четырех глав. В первой главе рассмотрены основные проблемы и методологические принципы построения моделей диагностики ХТС, сложившиеся в настоящее время. Рассматриваются проблемы и подходы к обеспечению технологической безопасности ХТП. Приводится подробный литературный обзор методов, применяемых при классификации состояний ХТС, который затрагивает достаточно широкий спектр существующих в настоящее время под- ходов в моделировании критических и аварийных состояний технологи ческих процессов. Описывается структура и технические средства сиетемы управления, позволяющие реализовать ее в промышленных усло виях. Дается формальное определение технологической безопасности. Ставится задача построения ГАСТД.
Во второй главе на примере производства САК рассмотрена декомпозиция технологической структуры, математические модели ключевых аппаратов и построение на их основе дискретных моделей. Особое внимание уделено вопросам объединения результатов математического моделирования и экспертных оценок для целей диагностики в условиях неопределенности технологической информации.
Третья глава посвящена вопросам структуры и организации СУ
ТБ. В ней также рассмотрены принципы, методы и последовательность решения задачи анализа состояния работоспособности химического производства, используемые в СУ ТБ
В четвертой главе представлены функциональная организация и результаты практической реализации разработанной ГАСТД производства САК
