Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЙ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ РАБОТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОЦЕССОВ 9
1.1 Теоретико-множественный подход к определению понятия технологической безопасности 9
/. /. / Общая характеристика технологической безопасности 9
1.1.2 Теоретико-множественные свойства опасностей 9
1.1.3 Свойства множеств мероприятий по обеспечению технологической безопасности 18
1.1.4 Формальное определение технологической безопасности. 19
1.2 Проблемы и подходы к решению задачи безаварийной работы непрерывного химического производства 21
1.3 Математические модели, используемые в задачах моделирования безопасности технологических систем 25
1.4 постаіювка задачи, си! ite3a texiюлогии исследоваііия процессов развития опасіюстей, и обеспечения безопасности непрерывных химических производств 45
Заключение 50
2.1 Обобщенная характеристика систем управления технологической безопасностью 52
2.1.1 Структура управчения технологической безопасностью 52
2.1.3 Классификация возмущающих воздействий 61
2.1.4 Классификация управляющих воздействий 62
2.1.5 Схема взаимосвязи задач структуры управчения технологической безопасностью 63
2.1.6 Многоуровневый подход к оптимизации Х'ГС 64
2.2 Синтез и анализ структуры опасностей на основе нечетких бинарных отношений 68
2.2.1 Нечеткие бинарные отношения 68
2.2.2 Центр безопасности 77
2.2.3 Индекс Безопасности 80
2.2.3 Качественная модель развития опасностей на основе нечетких бинарных отношений 85
Заключение 87
ГЛАВА 3. МОДЕЛИ РАСПОЗНАВАНИЯ НЕИСПРАВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ 89
3.1 Декомпозиция промышленного производства по функционально-потоковому принципу 89
3.2 Построение моделей управления технологической ьезоі іасности на основе структуры опасностей промышленного объекта 90
3.3 Принятие решений о наличии неисправных технологических структур в условиях неопределенности на основе дискретных моделей 93
3.4 Принятие решений о неисправности технологических связей на основе теории свидетельств 94
3.5 Поиск первичной неисправности элементов технологического оборудования 99
Заключение 102
ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И УПРАВЛЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВЫПАРИВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВА КАУСТИЧЕСКОЙ СОДЫ 103
4.1 Многокорпусные выпарные установки производства хлора и каустика-сложные объекты химической технологии 103
4.2 Математическое описание технологических режимов работы выпарных аппаратов 105
4.3 Характеристика технологической безопасности выпарной установки 110
4.4 Построение дискретных моделей выпарных аппаратов 115
4.5 ПОСТРОЕНИЕ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ 117
4.6 ИНФОРМАЦИОННАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ 123
4.7 ПОСТРОЕНИЕ ФУНКЦИЙ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ ЛИНГВИСТИЧЕСКИХ ТЕРМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ 136
4.7.1 Краткие сведения о методе 136
4.7.2 Расчет функций принадлежности для технологических параметров МВУ 138
4.8 Определение центра безопасности для технологических параметров выпарных аппаратов цеха выпаривания 148
4.9 проектирование программного обеспечения автоматизированной информационной системы диагностики состояний и управления технологической безопасностью четырехкорпуснои выпарной установки 158
4.10 исследование индекса безопасности '. 170
заключение 171
ГЛАВА 5. УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ ЦЕХА ВЫПАРКИ 172
5.1 постановка задачи оптимального управления системой мву как задачи иерархической многоуровешвой оптимизации 172
5.2 Алгоритм определения оптимального распределения нагрузок и оптимальных величин межремонтных продолжителыюстей работы мву 176
5.3 описание алгоритма управления второго и третьего уровня 179
Заключение 189
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 191
ЛИТЕРАТУРА 192
Причожение 1. Блок — схема алгоритма определения Центра Безопасности для технологическга параметре.. 200
Приложение 2. Блок— схема алгоритма расчета Индекса Безопасности 202
Приложение 3. Матрица нечеткого отношения предпочтения порождения опасностей 204
Приложение 4. Блок — схема алгоритма расчета управления первого уровня 205
Приложение 5. Блок— схема алгоритма расчета параметров дискретной модели 212
Причожение 6. Блок— схема алгоритма оптимизации второго и третьего уровня 213
Приложение 7. Интерфейс программы МВУ. 214
Введение к работе
Одно из важнейших направлений организации промышленного производства является обеспечение безопасности функционирования технологических процессов. Решение этой проблемы в данной работе осуществляется путем создания информационной системы промышленной безопасности.
Современные информационные системы технологической безопасности являются сложными иерархически организованными человеко-машинными системами. В этих системах можно выделить подсистему оценки состояний технологии и организационно-технологическую подсистему управления безопасностью. Ядром таких информационных систем является система анализа зарождения и развития опасностей.
Сложность систем управления технологической безопасностью объясняется сложностью организации производственных комплексов, сложностью современных технологий. Вследствие этого постоянно повышается сложность выполнения диагностических процедур, возрастает время и трудозатраты поиска источника возникающих нарушений, что в заключении приводит к ухудшению качества принимаемых решений. Это вызывает необходимость создания специальной системы оценки состояний и диагностики нарушений для целей прогнозирования внештатных и предаварийных ситуаций.
Актуальность и значимость проблемы обеспечение безопасности подтверждается значительным числом посвященных ей работ. Основополагающими работами, посвященными данной проблеме являются исследования академиков В.В. Кафарова, И.Д. Зайцева, К.В. Фролова профессоров Б.В. Палюха, А.Ф. Егорова, Т.В. Савицкой, Н.А. Северцева, В.П. Мешалкина, В.И.Тихонова, В.И. Мищенко, А.В. Мозголевского, Е.И. Сычева, Н.А. Скляревича, В.К. Дедкова и др.
Решение проблемы обеспечения технологической безопасности промышленных процессов находится в состоянии поиска новых и усовершенствования зарекомендовавших себя на практике подходов и методов. При этом необходимо решить ряд теоретических и практических задач, специфичных для данной области деятельности - области обеспечения технологической безопасности промышленных предприятий.
В настоящее время сложились несколько основных направлений в области повышения безопасности технологических процессов: проектно-конструкторский подход, технологический подход, и подход, основанный на построении информационных систем технической диагностики.
Многочисленные исследования показывают, что основная тяжесть затрат ложится на период эксплуатации технологических процессов. В этот период особенно опасно возникновение внештатных и аварийных состояний в технологических системах. Большую роль в процессе обслуживания таких систем играет умение предвидеть возможность возникновения различных нарушений в технологическом процессе. В связи с этим подход, основанный на построении информационных систем, в настоящее время играет определяющую роль в создании систем обеспечения технологической безопасности.
Для создания таких систем необходимо дальнейшее развитие математических моделей используемых в решении задач определения состояний, алгоритмов поиска источников нарушений, методов прогноза состояний с учетом неопределенности функционирования технологического процесса, а также разработка новых систем поддержки принятия решений на основе применение новых информационных технологий.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод, что задача развития существующих методов диагностики состояний технологических процессов, методов оценки безопасности, а также разработка ИС ТБ на основе современных информационных технологий является актуальной проблемой.
Диссертационная работа проводилась в рамках научно-исследовательских работ ИИММ КНЦ РАН «Информационные технологии ситуационного управления технологическими процессами и безопасностью в промышленно-природных комплексах", Гос. per. № 01.2.003 03819. 2003-2005 гг.
Цель работы и задачи исследования. Исследование основных положений теоретических и прикладных вопросов оценки свойств безопасности сложных промышленных производств для создания информационной системы безопасных технологических процессов для поддержки принятия решений по управлению технологической безопасностью.
Для реализации выше поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
• разработка метода построения качественных математических моделей развития опасностей на основе математического аппарата бинарных отношений;
• разработка метода, построения количественной модели оценки безопасности;
• развитие методов и алгоритмов диагностики состояний с использованием метода разделения состояний;
• построение системы поддержки принятия решений по управлению технологической безопасностью промышленных технологий;
• применение разработанного комплекса программ для управления технологической безопасностью на примере цеха выпарки электролитических щелоков производства хлора и каустика.
Научная новизна работы:
• предложены принципы и последовательност анализа состояния технологической системы на основе применения дискретных моделей непрерывных технологических процессов;
• предложен метод построения качественных диагностических моделей развития опасностей на основе бинарных отношений;
• разработан метод количественной оценки безопасности на основе индекса безопасности с использованием метода разделения состояний в учетом условий статистической и нестатистической природы функционирования технологических процессов;
• разработано алгоритмическое и программное обеспечение системы диагностики состояний и поддержки принятия решений по управлению технологической безопасностью на основе полученных моделей качественного и количественного анализа безопасности.
Обоснованность научных результатов. Достоверность и новизна основных научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена 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.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности. Проведенные в работе теоретические исследования представляют собой методические основы для построения автоматизированных систем управления технологической безопасностью (АСУТБ) химических производств, что позволяет повысить безопасность их работы за счет сокращения числа незапланированных остановов и уменьшения времени на поиск неисправности.
В работе проведена разработка и экспериментальная проверка методики построения дискретных диагностических моделей управления технологической безопасностью химико-технологических процессов (ХТП) на примере процесса выпарки производства хлора и каустика. Выполнена разработка алгоритмического и программного обеспечения системы диагностики состояний и принятия решений по управлению технологической безопасностью. Решены задачи построения программных модулей, реализующих механизмы определения состояний ХТП. Сформулированы и решены задачи системы поддержки принятия решений для многокорпусных выпарных установок в рамках АСУ ТП производства хлора и каустика.
Правильность построенных моделей подтверждена экспериментальными данными. Разработанные алгоритмы рекомендованы к внедрению в производство.
Научные положения и выводы диссертационной работы имеют практическую реализацию и апробацию в виде приложений разработанных для систем управления технологической безопасностью процесса выпаривания каустической соды производства хлора и каустика и были использованы при разработке систем диагностики ХТП на Новомосковском ПО "АЗОТ". Соответствующий акт о внедрении имеется.
Методические и теоретические результаты работы использованы в учебных курсах в Кольском филиале Петрозаводского государственного университета.
Основные положения, выносимые на защиту, перечислены в разделе основных результатов диссертационной работы.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены на следующих конференциях: Тринадцатой Международной научной конференции "Проблемы управления безопасностью сложных систем" (Москва, 2005); Восемнадцатой Международной научней конференции "Математические методы в технике и технологиях. ММТТ - 18" (Казань, 2005), а также на научных семинарах профессорско-преподавательского состава кафедры ИС, КФПетрГУ, и секциях ученых советов Института информатики и математического моделирования технологических процессов (ИИММТП) КНЦ РАН.
Публикации. Результаты, отражающие основное содержание диссертационной работы, изложены в 12 публикациях. Доля вклада, внесенная автором в печатные работы, написанные в соавторстве, составляет не менее 50%.
Структура и объем работы. Структура диссертации определена поставленными целями и последовательностью решения поставленных задач. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы (181 наименований) и 7 приложений. Работа изложена на 199 страницах машинописного текста с 80 рисунками и 113 таблицами. В приложениях приведены блок-схемы, разработанных в диссертации, алгоритмов и фрагменты интерфейса разработанного программного приложения.
Во введении обоснована актуальность тематики, сформулированы задачи диссертационной работы, а также приведены основные результаты, определяющие её научную новизну и практическую значимость.
В первой главе дана общая характеристика технологической безопасности, исследован теоретико-множественный подход к определению понятия технологической безопасности, рассматриваются основные проблемы и подходы к решению задачи безаварийной работы непрерывных технологических процессов промышленного производства, а также анализируются математические модели, используемые в задачах моделирования безопасности технологических систем. Ставится задача построения автоматизированной системы технологической безопасности.
Вторая глава состоит из двух частей. В первой части рассмотрена обобщенная характеристика систем управления технологической безопасностью, приведена классификация возмущающих и управляющих воздействий. Во второй части рассматриваются методические принципы системы диагностики состояний, которые опираются на понятие центра технологической безопасности - области, в которой функционирование процесса в штатном режиме является наиболее безопасным, а также приводится алгоритм определения количественной оценки безопасности по индексу безопасности и методика определения сценариев развития опасностей на основе нечеткого графа развития внештатных ситуаций.
Третья глава посвящена рассмотрению вопросов связанных с построением информационной системы технологической безопасности (ИС ТБ), дается определение задачи диагностики как многоуровневой, иерархической задачи, приводится декомпозиция химико-технологических систем (ХТС), изложен метод разделения состояний, позволяющий прогнозировать выход технологического процесса из области работоспособных состояний и методика поиска первичной неисправности, а также рассматривается обобщенная постановка задачи управления технологической безопасностью как задачи ситуационного управления.
Четвертая глава посвящена построению системы диагностики состояний и управления технологической безопасностью, на примере технологического процесса выпаривания производства каустической соды, приводятся расчеты для определения центра безопасности процесса выпарки и графики функций принадлежности термов лингвистических переменных, которые определяют для соответствующих технологических параметров степень их нахождения в области безопасных или опасных состояний, проводится исследование индекса безопасности для технологических параметров, оборудования и систем управления четырехкорпусной выпарной установки производства хлора и каустика.
В пятой главе рассматривается управление технологической безопасностью выпарных аппаратов цеха выпарки. В соответствии с ранее перечисленными принципами создания систем диагностики для ХТС, осуществляется структурная декомпозиция технологической системы, предлагается алгоритм диагностики состояний включающий определение состояний по дискретным моделям, вычисление индекса безопасности и поиск первичной неисправности, рассматривается многоуровневый алгоритм управления цехом выпарки в штатном и внештатном режимах, приводится алгоритм оптимизации промывок выпарных аппаратов, представлены функциональная организация и результаты практической реализации разработанной ИС ТБ процесса выпаривания производства хлора и каустика.
Разработанная ИС ТБ предназначена для определения состояний технологического режима работы и оборудования четырехкорпусной выпарной установки, распознавания предаварийных состояний технологического оборудования цеха, определения причин отказов оборудования и выдачу рекомендаций по их устранению, поддержки принятия решений при обнаружении неполадок оборудования.
