Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблемной ситуации и постановка задачи исследования .
1 1.Анализ исходных материалов объекта по уничтожению химического оружия на территории Щучанского района Курганской области 13
1.2. Химические реакции процесса детоксикации 17
1.3. Описание технологического процесса детоксикации боеприпасов 19
1.3.1 Технологическая схема детоксикации боеприпасов калибра 85- 120 мм 19
1.3.2. Детоксикация отравляющего вещества 20
1.3.3. Дозревание реакционной массы 22
1.3.4. Узел сбора реакционной массы 23
1.4.Детоксикация отравляющего вещества, извлеченного из боеприпасов калибра 120...220 мм 24
1.5.Детоксикация отравляющих веществ боеприпасов калибра 132, 140, 152
мм 27
1.6. Детоксикация отравляющих веществ, извлекаемых из боеприпасов калибров 540 мм и 880 мм 30
1.7. Узел сбора реакционной массы 34
1.8. Узел аварийного освобождения 35
1.9. Стадия битумирования реакционной массы 36
1.10. Постановка задачи исследования 38
ГЛАВА 2. Математическое моделирование технологических стадий объекта ухо «щучье».
2.1. Оптимизация управления стадиями процесса 45
2.2. Математическая модель управления стадией детоксикации ОВ 47
2.3. Математическая модель управления стадией дозревания
2.4. Математическая модель управления стадией нейтрализации РМ 52
2.5. Модель управления стадией битумирования реакционных масс
2.5.1. Операция получения БРМ как объект управления 59
2.5.2. Модель операции получения БСМ как объекта управления 61
2.6. Декомпозиция общей задачи управления химико-технологическим комплексом УХО 65
2.7. Организационная структура АСУТП химической части комплекса уничтожения зарина, зомана и Vx 69
2.7.1. Описание блок- схемы алгоритма 75
ГЛАВА 3. Математическое и алгоритмическое обеспечение автоматизированной системы управления химико-технологическим комплексом уничтожения зарина, зомана
3.1. Управленческая информационная система 78
3.2. Решения по автоматизации технологических процессов 80
3.3. Математическое описание химико-технологических объектов 82
3.3.1. Химические технологии, описываемые системами линейных дифференциальных уравнений 82
3.3.2. Химические технологии, описываемые системами нелинейных дифференциальных уравнений 84
3.3.3.Объекты, описываемые дифференциальными уравнениями в частных производных 85
3.3.4.Построение дискретных моделей для технологических последовательностей аппаратов 87
3.4.Структура технологического комплекса УХО 90
3.5. Функциональная схема АСУТП комплекса УХО 92
3.6. Квазиоптимальное решение задачи линейного программирования 98
3.6.1. Метод получения квазиоптимального инвариантного решения задачи
линейного программирования 99
3.6.2. Пример получения квазиоптимального решения 100
ГЛАВА 4. Вопросы технической реализации автоматизированных систем управления технологическими процессами объектов уничтожения химического оружия .
4.1. Структура и функции АСУ ТП 109
4.2. Взаимосвязь с другими системами 110
4.3.Технические средства АСУТП 112
4.3.1. Структура программно-технического комплекса (ПТК) «КРАБ»... 113
4.3.2. Программируемые логические контроллеры 114
4.3.3.Программирование ПЛК 116
4.3.4.Центральные процессоры 120
4.3.5. Требования к памяти ПЛК 121
4.3.6. Входы/выходы, поддерживаемые ПЛК 122
4.3.6.1.Аналоговые модули ввода (AI) 125
4.3.6.2.Аналоговые модули вывода (АО) 125
4.3.6.3. Цифровые модули ввода (DI) 125
4.3.6.4Цифровые модули вывода (DO) 126
4.3.6.5. Модули ввода аналоговых сигналов от термопар (AI/C) 126
4.3.6.6. Источники питания 126
4.3.6.7. Терминал программирования 127
4.3.6.8. Передача и обмен данными с системой 127
4.3.6.9. Шина передачи и обмена данными с контроллером 128
4.3.6.10. Шина передачи и обмена данными с дистанционным входом/выходом 129
4.4. Автоматизированные системы аналитического контроля с автоматической системой отбора и транспортировки аналитических проб 130
4.4.1.Комплекс отбора и доставки технологических проб «Транспортер». Описание и основные характеристики комплекса 131
4.4.2.Устройство и работа комплекса 135
Заключение 137
Библиографический список
- Технологическая схема детоксикации боеприпасов калибра 85- 120 мм
- Математическая модель управления стадией нейтрализации РМ
- Математическое описание химико-технологических объектов
- Шина передачи и обмена данными с дистанционным входом/выходом
Технологическая схема детоксикации боеприпасов калибра 85- 120 мм
Детоксикация отравляющего вещества (ОВ), полученного из боеприпасов, проходит в два этапа: в реакторах детоксикации и в реакторах-дозревателях.[11] Реакторы Р13012, принимают ОВ со станка расснаряжения XI05 (СР-1), они соединены с дозревателями Р21312, реакторы Р13034, принимают ОВ со станка расснаряжения XI05 (СР-2), они соединены с дозревателями Р140х 2. Реакторы детоксикации в каждой паре реакторов РІЗОх 2 и Р1303,4 работают по очереди (когда в одном ведётся прием отравляющего вещества и реагента, в другом выдерживается реакционная масса и выгрузка ее в дозреватель). Прием ОВ и реагента производится вакуумом. К началу процесса загрузки, в реакторе есть остаточное количество реакционной массы, которое необходимо для перемешивания поступающих компонентов при заполнении реактора. В начале загрузки в реактор Р13012 подаётся в него реагент из мерников E155J2 соответственно. Количество реагента рассчитывается с учетом реагента, который поступает из корпуса боеприпаса от станка Х105 (СР-1) в реактор детоксикации РІЗОї 2 и различно для разных видов отравляющих веществ. Подача реагента в мерник осуществляется насосом Н174 с отсечкой при максимальном уровне в нем. Схемой предусмотрена также возможность отмерять необходимое количество реагента в реактор с помощью автоматического расходомера.
Когда загружен реагент, в реакторе создается вакуум минус 60 кПа и происходит операция приема отравляющего вещества и реагента из станка расснаряжения. Вакуум регулируется клапаном вакуум-насоса Н13412. Азот, который поступает из агрегата расснаряжения с уносимыми из реактора компонентами РМ переходят в абсорбционную колонну очистки K135i2 технологического вакуума № 1 через обратные холодильники Т13212. Из холодильника в реактор возвращается конденсат.
Вода с температурой 7-12 С используется в качестве хладоагента в теплообменнике Т13212 при уничтожении зарина, зомана и рассол с температурой (минус 7 - минус 4) С при уничтожении Vx .
При поступлении в реактор отравляющего вещества и реагента в нем протекают химические реакции, которые сопровождаются тепловыми эффектами. Отвод тепла происходит при подаче рассола с температурой (минус 7 - минус 6) С в рубашку реактора Р13012 при уничтожении зарина, зомана. Клапан, установленный на подаче рассола в змеевик реактора, регулирует температуру в диапазоне 40-50 С. Загрузка в реактор Р13012 заканчивается, когда будет достигнут максимальный вес, который соответствует 60% объема реактора. Отравляющее вещество и реагент подается в реактор РІЗОід. Программа осуществляет переключение приема отравляющего вещества и реагента с первого реактора на второй.
После окончания загрузки реактора происходит выравнивание давления в нем через систему Е131, Е133. Затем в течение 15 минут (зарин), 30 минут ( зоман и Vx) реакционная масса выдерживается при перемешивании. При выдержке реакционной массы в РІЗОх 2 образуются абгазы, которые через холодильник Т132і2 проходят каплеотбойник Е131 и гидрозатвор Е133 и попадают на очистку в абсорбционную колонну К151. Образующийся при этом процессе конденсат из холодильника перенаправляется в реактор. После завершения выдержки реакционная масса с помощью вакуума переходит в дозреватель Р140х 2.
Предусмотрено прекращение подачи отравляющего вещества и реагента в реакторы Р130ід если: - достигнут максимальный вес РМ в реакторе; - достигнута максимальная температура в реакторе; -в случае остановки мешалки в реакторе; -в случае остановки подачи раствора на орошение в колонну К135! 2. Реакторы Р1303,4, принимающие отравляющее вещество и реагент из станка Х105 (СР-2), работают аналогично Р13012 . Программа осуществляет управление клапанами реакторов детоксикации Р130м. 1.3.3. Дозревание реакционной массы.
РМ из реакторов детоксикации РІЗОї 2 поступает в дозреватели P213i2, из реакторов P1303j4 в дозреватели Р140х 2 с помощью вакуума, который создаётся системой вакуума. В реакторе достигается вакуум минус 60 кПа и он регулируется клапаном на байпасе вакуум-насоса H144ij2.
Дозреватели Р14012 функционируют по очереди. Когда в один происходит прием реакционной массы (РМ), во втором производится нагрев, выдержка РМ, забор проб для анализа и перекачка в сборник P224ij2. Если будет достигнут максимальный вес в одном из дозревателей Р14012, то произойдёт автоматическое переключение приема РМ во второй. Когда произойдёт заполнение дозревателя, в нем выравнивается давление до атмосферного давления подачей азота через систему Е145, Е146. После чего происходит нагрев реакционной массы до 50-60 С за счёт подачи горячей воды в рубашку аппарата. После чего производится выдержка РМ при постоянном перемешивании в течение 2-3 часов. При этом температура в дозревателе P140i2 постоянна в пределах 50-60 С поддерживается клапаном, который установлен на трубопроводе подачи горячей воды в рубашку.
Математическая модель управления стадией нейтрализации РМ
Из полученного уравнения (2.20) следует, что производная dIi/dTp остается отрицательной величиной. Это характеризует возможность достижения минимального значения критерия Ij только при бесконечно большой температуре реакции. Поскольку в реальных условиях температура реакции всегда ограничена определенными технологическими пределами, полученные результаты означают, что приближение к оптимальным условиям проведения процесса можно достигнуть при максимально возможной температуре. Оптимальное значение времени пребывания реагентов в реакторе, соответствующее заданному значению температуры процесса, позволяет найти интегрированием уравнения (2.9)
Таким образом, при наличии ограничений (2.14) температура в реакторе детоксикации должна быть максимальной, т.е. Тр = Тртах.
Регулятор для регулирования температуры в реакторе детоксикации при уставке Т3 = ТрГпах должен осуществлять регулирование без перерегулирования. 2.3. Математическая модель управления стадией дозревания.
Где х(1)(трм,хАг ) - вектор входных параметров (трм - масса РМ из реактора детоксикации; хАг - концентрация ОВ в РМ; и(2)(трд, Тр, t) - вектор управляющих параметров (трд - масса реагента; Тр - температура в дозревателе; t - продолжительность дозревания); x(2)(mpmx(f) - вектор выходных параметров (трм - масса РМ; xf - концентрация ОВ в РМ). Требуется провести дозревание РМ до концентрации ОВ на выходе дозревателя, не превышающей заданную, за минимальное время. трм - масса РМ, загружаемой в дозреватель после детоксикации, кг; трд - масса реагента для обеспечения дозревания ОВ, кг; тр - масса реагента на стадии детоксикации, кг; тт -предельная суммарная величина реагентов в дозревателе (контролируется по массе жидкости в дозревателе), кг; Тр - температура в дозревателе, К; t - время пребывания реагентов в дозревателе. Функция (2.26) зависит от одной переменной - Тр. Таким образом, необходимые условия экстремума функции (2.26) получаются её дифференцированием по переменной Тр и приравниванием производной нулю.
Из полученного уравнения (2.32) следует, что производная dI2/dTp остается отрицательной величиной. Это характеризует возможность достижения минимального значения критерия 12 только при бесконечно большой температуре реакции. Поскольку в реальных условиях температура реакции всегда ограничена определенными технологическими пределами, полученные результаты означают, что приближение к оптимальным условиям проведения процесса можно достигнуть при максимально возможной температуре. Оптимальное значение времени пребывания реагентов в дозревателе, соответствующее заданному значению температуры процесса, позволяет найти интегрированием уравнения (2.23):
Регулятор для регулирования температуры в дозревателе при уставке Т3 = ТрГпах должен осуществлять регулирование без перерегулирования.
Математическая модель управления стадией нейтрализации РМ. После детоксикации зарина и зомана проводится операция смешения реакционной массы с гидроокисью кальция. Она предназначена для полной нейтрализации кислых продуктов и проводится в реакторе-нейтрализаторе Р8-1,2,3 в периодическом режиме. В реакторе поддерживается температура 50+5С подачей пара в рубашку. Из сборника Р4 в реактор Р8-1,2,3 РМ загружается дистанционно со щита управления или по месту. Подача реакционной массы из сборника Р4 в реакторе Р8-1,2,3 отсекается автоматически клапаном VI 18-1,2,3 при достижении максимальной массы. Из бункера Е70-1,2,3 подаётся предварительно взвешенная гидроокись кальция дистанционно с операторской станции или по месту открывается шаровой кран и включается шлюзовый питатель Х71-1,2,3 на трубопроводе загрузки. Гидроокись кальция подается в реактор в течение 0,4 -г- 0,5 часа при постоянно работающей мешалке. Затем смесь выдерживается при перемешивании и температуре 50 ± 5 С в течение 0,25 -г- 0,5 часа в реакторе Р8-1,2,3. [26,27]
Предусмотрены замер температуры термопреобразователем ТЕЗО-1 -г-ТЕЗО-3, массы смеси в реакторе Р8-1,2,3 тензометрическим устройством WE29-1... WE29-3 и сигнализация максимальной массы.
Где х(2)(трм, x{f) - вектор входных параметров (трм - масса РМ из дозревателя; x{f - концентрация кислых продуктов в РМ); u fm TpJ tfJ, -вектор управляющих параметров (тгок - масса ГОК; Тр - температура в реакторе-нейтрализаторе; t3 - продолжительность загрузки ГОК, tH- время пребывания реагентов в реакторе-нейтрализаторе); х(3)(тям,х(]))- вектор выходных параметров (тнрм - масса нейтрализованной РМ; х(А3) - концентрация кислых продуктов в РМ). Требуется провести нейтрализацию РМ до полной нейтрализации кислых продуктов и остаточного количества ОВ на выходе реактора-нейтрализатора за минимальное время. [25]
Математическое описание химико-технологических объектов
Определение эквивалентной матрицы преобразования последовательности элементов технологической схемы, охваченных рециклом. Для любой ХТС можно получить операционные матрицы, используя выражения (3.12) и (3.14). Применение матричных преобразований изложено в [42,44].
Таким образом, для любой общепринятой в настоящее время структурной декомпозиции ХТС можно построить дискретную модель системы на основе метода разделения состояний. Основным требованием, которое накладывается на исходную модель, является требование линейности или возможность представления модели в линеаризованном виде. 3.4.Структура технологического комплекса УХО.
Структура технологического комплекса УХО (детоксикация и битумирование) является последовательной: отдельные стадии процесса -детоксикация ОВ, дозревание реакционной массы (РМ), нейтрализация РМ (только зарин), битумирование НРМ (для Vx битумирование РМ), упаривание битумно-солевой массы (БСМ) - соединены таким образом, что выход каждой предыдущей является входом одной после дующей, (рис. 3.5.)
Комплекс последовательно работающих стадий. Предполагается известным математическое описание каждой стадии процесса, которое представляется в общем виде в виде системой уравнений: x V-V0), (3.15) где x(l) - вектор выходных переменных і-ой стадии; u(l) - вектор управления на і-ой стадии, /= 1,2, 3,... Д. На переменные выхода х(1) и управляющие воздействия u(l) накладываются ограничения, которые определяют диапазон изменения переменных и связи между ними. С точки зрения математики, данные ограничения накладывают дополнительные условия, которые записываются в виде равенств и неравенств: и учитывают при решении задачи оптимизации.
Эффективность каждой стадии процесса может быть оценена некоторой скалярной величиной [45] которая задаётся как функция, зависящая от переменных состояния стадии х(1) и управления на ней u(l). Учитывая математическое описание стадии (3.15),можно представить функциональную зависимость (3.17) как гі = Гі(х(і-1}, u(l)), (3.18) т.е. как функцию состояния входа х(ь1) на і-ой стадии и управления u(l), которое на ней используется. В результате оценку эффективности процесса можно определить в виде аддитивной функции результатов, полученных на каждой стадии = ( ( -1) " () (3 19) Значение показателя RN - критерия оптимальности - зависит от управляющих воздействий uN на каждой стадии процесса и является набором значений векторов u(l) на всех стадиях [46] u (u(1),uP), ...,11 . (3.20)
Центральная система оптимизации (ЦЕНТР) функционирует по следующей схеме[47,48]. Оператор-технолог вводит в систему значения коэффициентов {аі - аб) и значение массы отравляющего вещества х0, которое поступило на операцию детоксикации. Система рассчитывает управляющее воздействие - щ (масса реагента для детоксикации отравляющего вещества) и выдаёт значение щ на монитор оператора-технолога. По завершении операции детоксикации оператор-технолог вводит в систему данные о результатах проведённой операции детоксикации Xj (масса реакционной массы). Система по значению Xj рассчитывает управляющего воздействия - и2 (масса реагента для дозревания) и выдаёт значение и2 на монитор оператора-технолога. По завершении операции дозревания оператор-технолог вводит в систему данные о результатах проведённой операции дозревания хДмасса реакционной массы в сборнике Е2). Система по значению х4 рассчитывает управляющего воздействия и3 (масса гидроксида кальция для нейтрализации реакционной массы) и выдаёт её величину на монитор оператора-технолога. По завершении операции нейтрализации реакционной массы оператор-технолог вводит в систему данные о результатах проведённой операции нейтрализации - х5 (масса нейтрализованной реакционной массы). Система производит расчёт управляющего воздействия - и4 (массы битума для битумирования реакционной массы) и выдаёт её величину на монитор оператора-технолога. По завершении операции битумирования, оператор-технолог вводит в систему данные о результатах проведённой операции - (суммарная масса нейтрализованной реакционной массы и битума, которая поступает в роторно-пленочный испаритель). Система учитывает х7 - массу дистиллята (выпаренных растворителей и инертов) и х8 - массу битумно - солевой массы [40].
Координатор в соответствии с принятым критерием управления (показателем эффективности), ограничениями и связями формирует задания (управляющие воздействия) на управление последовательностью операций. В свою очередь, на уровне локальной оптимизации формируются по принятому критерию управления, ограничениях и связях (например, минимизация времени проведения операции) уставки соответствующим регуляторам (например, поддержание температуры в реакторе на максимальном значении). [49] После завершения ТП УХО по результатам его проведения производится корректировка параметров математической модели в соответствии с критерием управления, ограничениями и связями.
АСУТП создаётся с целью увеличения производительности комплекса уничтожения химического оружия при уровне опасности (риске), который порождается объектом уничтожения в штатном режиме функционирования, не превышающим нормативного для объекта значения. [50,51] В главе 1 на рис. 1.1. представлена структура технологического комплекса УХО. Структура технологического комплекса УХО (детоксикация и битумирование) является последовательной: отдельные стадии процесса - детоксикация ОВ, дозревание реакционной массы (РМ), нейтрализация РМ (только зарин), битумирование НРМ (для Vx битумирование РМ), упаривание битумно-солевой массы (БСМ) -соединены таким образом, что выход каждой предыдущей является входом одной последующей. [52] Детоксикацию, дозревание, нейтрализацию, битумирование, выпаривание отравляющих веществ будем рассматривать как сложную систему, в которой каждое 1-е отравляющее вещество обозначим через К{. Тогда изменение Kt является последовательностью функциональных действий ФДу (/ номер операции).
Шина передачи и обмена данными с дистанционным входом/выходом
Программирование ПЛК должно производиться с помощью серийно выпускаемого терминала программирования, в качестве которого следует использовать переносной персональный компьютер типа "ноутбук" с процессором Intel Pentium с тактовой частотой не менее 600 МГц. Терминал должен иметь ОЗУ емкостью не менее 32 мегабайт (Мбайт) и встроенную клавиатуру с не менее чем 82 клавишами. Терминал должен быть снабжен жестким диском емкостью не менее 3 Гбайт с максимальным временем доступа 18 мс. Должны быть предусмотрены максимум два последовательных порта и один параллельный порт, клавиатура, видеовход, внешний источник питания постоянного тока и 15-выводные порты для расширения. Терминал должен также быть оснащен 14-дюймовым ЖК-экраном с активной матрицей 1024 х 768 с совместимой платой внутреннего графического адаптера и встроенным и внешним указательным устройством (мышью). Он должен также быть оборудован двумя разъемами PCMCIA (Международной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров) типа II и III.
Сети передачи и обмена данными с системой объекта должны обеспечивать высокоскоростной, избыточный обмен детерминированными данными между ПЛК и РСУ. Сетью объекта может быть PROFIBUS, CONTROLNET, MODBUS или MODULENET. Обмен данными должен быть основан на принципе открытой системы, для которой требуются минимальные специальные аппаратные или программные средства для взаимного соединения с системой каналов передачи данных РСУ объекта или вообще не требуются такие средства. Обмен данными между отдельными модулями должен осуществляться по локальным независимым шинам, допускающим полную интеграцию различных модулей. Управление сетью должно быть сведено к минимуму. Отказ или физическое удаление любого компонента сети не должны приводить к нарушению обмена данными всех остальных компонентов. Процессор ПЛК должен иметь дополнительный высокоскоростной коммуникационный порт Ethernet для дистанционного монитора программирования ПЛК и обеспечивать дистанционное программирование при помощи терминала программирования.
Для обмена данными между контроллерами следует использовать отказоустойчивую коммуникационную шину с эстафетной передачей. Шина должна обладать как аппаратной избыточностью, так и избыточностью программных драйверов, и должна быть прозрачной для оператора. Минимальная скорость передачи данных составляет 1 Мбит/с. Эксплуатационная готовность неработающего резервного канала связи всегда должна контролироваться, а отчет об этом должен выдаваться в АРМ оператора.
Коммуникационная шина модуля должна поддерживать локальную сеть, содержащую до 32 модулей, которые могут быть распределены по четырем модульным стойкам. Межстоечные соединения должны быть выполнены посредством резервируемых кабельных соединений и, при необходимости, соответствующих коммуникационных модулей. Локальная шина должна работать при длине до 15 м. Без использования ретрансляторов она должна допускать расширение на длину до 1 км между узлами. Локальная шина должна допускать расширение с помощью ретрансляторов модулированных сигналов и ретрансляторов, преобразующих модулированный сигнал в оптический сигнал, передаваемый по волоконно-оптическому кабелю в оптический сигнал. Сети для передачи модулированных сигналов расширяются до 6 км, а сети с использованием волоконно-оптических ретрансляторов - до 15 км.
Обмен данными в расширенной сети должен выполняться идентично обмену данными в локальной коммуникационной шине. Расширение должно быть прозрачным для пользователя, и не должно требоваться никаких дополнительных усилий по конфигурированию программного обеспечения. Должна быть обеспечена возможность прямого обмена данными между равноправными узлами локальной сети - контроллерами, расположенными в одном или в разных шкафах, без задействования рабочих станций в центральной диспетчерской. Может быть принят другой стандартный протокол связи с резервированием, если в предложении будет представлена подробная информация о нем и будут обоснованы его надежность и защищенность.
Отдельная шина дистанционного ввода/вывода должна обеспечивать выделенный, защищенный доступ к дистанционным вводам/выводам конкретного контроллера. Шина ввода/вывода должна быть резервируемой и иметь минимальную скорость передачи данных 250 кбит/с. Шина должна иметь протяженность до 300 м. Для более длинных расстояний должна быть предусмотрена возможность применения волоконно-оптических удлинителей. Все внешние цепи аналоговых и цифровых сигналов подключаются к платам ввода-вывода через соответствующие модули кабельных интерфейсов. Каждая плата ввода или вывода, включая установленные резервные блоки, должна иметь независимый модуль кабельного интерфейса. Модули устанавливаются на направляющих стандарта DIN и в порядке, удобном для подсоединения внешних кабелей.
