Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современных систем оперативного управления и экологического мониторинга для потенциально опасных технологических объектов управления
1.1. Анализ проблем управления и экологической опасности коксохимического производства 9
1.1.1. Коксохимическое производство - объект системного анализа 9
1.1.2. Особенности воздействия коксохимической промышленности на окружающую среду 14
1.1.3. Современное состояние коксохимической промышленности 20
1.2. Принципы организации систем экологического мониторинга 22
1.2.1. Определение мониторинга окружающей среды и его задачи. Классификация систем мониторинга
1.2.2. Классификация загрязнителей и их источников 26
1.2.3. Мониторинг источника загрязнения 27
1.2.4. Принципы проектирования системы экологического мониторинга 31
1.3. Анализ существующих систем оперативного управления и экологического мониторинга 34
1.4. Анализ инструментальных средств синтеза систем управления 43
1.4.1. Системы программирования 43
1.4.2. Инструментальные средства для построения систем с базами знаний 48
Выводы 54
2. Структура системы оперативного управления коксохимической батареей
2.1. Сущность процесса коксования 56
2.2. Анализ экологической опасности коксохимического производства 69
2.3. Коксовая батарея как объект управления 74
2.4. Структура системы оперативного управления коксохимической батареей
2.5. Назначение и функции модулей системы оперативного управления коксовой батареей
2.5.1. База знаний, база данных 78
2.5.2. Интерпретатор вывода 78
2.5.3. Математическая модель 84
2.5.4. Блок оптимизации 89
2.5.5. Блок мониторинга 91
2.5.6. Интерфейс системы оперативного управления коксовой батареей 91
2.6. Алгоритм функционирования системы оперативного управления коксовой батареей 92
Выводы 95
3. Методика формирования системы оперативного управления коксохимической батареей 96
3.1. Формирование структуры системы оперативного управления 96
3.2. Формирование алгоритма функционирования системы оперативного управления 101
3.3. Формирование структуры алгоритмического обеспечения системы оперативного управления коксовой батареей 102
3.4. Формирование интерфейсов системы оперативного управления 104
3.4.1. Интерфейс разработчика 105
3.4.2. Интерфейс лица, принимающего решения 105
3.5. Обоснование выбора инструментальных средств разработки 106
3.6. Алгоритм синтеза системы оперативного управления коксовой батареей 107
Выводы 109
4. Практическая реализация системы оперативного управления коксохимической батареей 113
4.1. Структура алгоритмического обеспечения системы оперативного управления коксохимической батареей 113
4.1.1. Математическая модель 113
4.1.2. Системы управления базой данных и базой знаний 116
4.1.3. Алгоритм принятия решений 118
4.1.4. Блок оптимизации 121
4.1.5. Интерфейс пользователя 121
4.2. Разработка программного обеспечения блоков системы оперативного управления коксохимической батареей 123
4.2.1. Программная реализация математической модели коксовой батареи 123
4.2.2. Реализация алгоритма поиска оптимальных значений управляющих воздействий 123
4.2.3. Системы управления базой данных и базой знаний системы оперативного управления коксохимической батареей 124
4.2.4. Реализация алгоритмов поиска решений в системе оперативного управления коксохимической батареей 124
4.2.5. Интерфейс пользователя 124
4.3. Выбор оптимальных значений управляющих воздействий с использованием системы оперативного управления 125
Выводы 130
Выводы 131
Список литературы 133
Приложения 141
- Особенности воздействия коксохимической промышленности на окружающую среду
- Анализ экологической опасности коксохимического производства
- Формирование структуры алгоритмического обеспечения системы оперативного управления коксовой батареей
- Выбор оптимальных значений управляющих воздействий с использованием системы оперативного управления
Введение к работе
Проблема окружающей среды для коксохимического производства весьма актуальна, так как оно является многотоннажным, технологически объединяет множество самых разных по характеру процессов, агрегатов, аппаратов и, как следствие этого, представляет собой крупный источник загрязнения окружающей среды. По валовым показателям вредных выбросов коксохимия не является ведущей в металлургии, однако, учитывая тот факт, что они содержат токсичные и даже канцерогенные компоненты, коксохимическое производство заслуживает повышенного внимания с точки зрения снижения экологической опасности.
Процесс коксования является сложным в управлении, требует высокой квалификации персонала в связи с потенциальной опасностью, отличается многообразием модификаций на различных предприятиях. Как объект управления процесс коксования отличается высокой инерционностью, пожароопасностью, разнообразием сырья (составом шихт), качеством получаемого кокса, сложными и тяжелыми условиями работы персонала коксовых цехов (высокая температура, загазованность, ответственность в принятии решений по управлению). В процессе коксования различными способами контролируется около 200 параметров, в том числе 40 параметров - лабораторным способом и визуально.
Коксохимические предприятия производят основной энергоноситель для черной и цветной металлургии. Наряду с проблемами управления режимом работы коксохимических батарей с целью обеспечения оптимального соотношения количественных и качественных показателей готовой продукции, для коксохимических предприятий актуальна задача оценки экологического состояния работающих объектов, особенно коксовых батарей, которые в процессе эксплуатации производят большую часть выделений и выбросов вредных веществ предприятия в атмосферу. Для этой цели, прежде всего, необходима достаточная систематическая оценка количеств вредных веществ, выбрасываемых действующей коксовой батареей.
Современный уровень организации и управления производством выдвигает требования разработки новых подходов к решению задач управления технологическими процессами на основе новых информационных технологий, которые позволят исключить или значительно сократить образование отходов и выбросов в самом производстве. Тенденции развития современных систем управления химико-технологическими процессами и систем, осуществляющих оценку количеств выбросов, показывают, что они должны быть адаптивными, интеллектуальными. Адаптивность указанных систем обеспечивается возможностью настройки их на различные типы исходного сырья, аппаратурно-
технологического оформления. Опыт управления сложными, инерционными, потенциально опасными объектами, к классу которых относится процесс коксования, показывает, что помимо моделирования течения процесса с помощью существующих расчетных алгоритмов необходимо привлекать знания экспертов в данной предметной области, т.е. использовать передовой опыт высококвалифицированных операторов, знания химиков-технологов, ученых.
Существующие АСУ ТП химическими предприятиями выполняют в основном функции контроля, сбора и хранения информации, поступающей с объекта. В то же время разрабатываемые методы и алгоритмы оптимального управления оказываются непригодными для оперативного управления, которое по-прежнему осуществляется оператором на основе интуиции, практического опыта эксплуатации и разнообразных инструкций.
Таким образом, для коксохимических предприятий актуальна задача разработки системы оперативного управления коксохимической батареей, позволяющей обеспечить оптимальное качество продуктов коксования и повысить экологическую безопасность процесса за счет мониторинга количественных и качественных показателей процесса коксования и количеств выбросов вредных веществ коксовой батареей.
Целью диссертационной работы является создание системы оперативного управления коксохимической батареей на основе математического обеспечения для оптимизации показателей качества и модели представления знаний для управления в нештатных ситуациях.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
исследовать процесс коксования с точки зрения его экологической
опасности, выделены его особенности как объекта управления и экспертного
анализа, и на основе анализа требований, предъявляемых к системам управления и
системам экологического мониторинга, предложить структуру системы
оперативного управления коксохимической батареей;
разработать математическую модель коксохимической батареи,
включающую модель расчета количеств выбросов вредных веществ коксовой
батареей;
разработать критерий и алгоритм оптимизации коксовой батареи с учетом
экологических ограничений;
провести анализ методик синтеза систем управления и систем
экологического мониторинга и предложить алгоритм синтеза системы
оперативного управления коксохимической батареей;
разработать систему оперативного управления коксохимической батареей, включающую математическую модель, базу знаний, базу данных, интерпретатор вывода, блок оптимизации, блок мониторинга, интерфейс.
В первой главе проведен анализ состояния проблемы и намечены основные направления исследований. В обзоре выявлены особенности воздействия коксохимического предприятия на окружающую среду (источники газовых выбросов, сточных вод и их характеристики), представлены результаты системного анализа коксохимического предприятия, неотъемлемой частью которого являются коксовые батареи.
В первой главе проведен обзор работ в области оперативного управления и экологического мониторинга потенциально-опасными процессами, к классу которых относится процесс коксования, представлена краткая характеристика существующих систем оперативного управления и систем, осуществляющих оценку экологического состояния, проведен анализ инструментальных средств синтеза, рассмотрены руководящие принципы экологического мониторинга и принципы проектирования систем экологического мониторинга. Проведенные исследования позволили предложить формализованное описание коксохимического предприятия как объекта экологического мониторинга.
Во второй главе проведено исследование процесса коксования с точки зрения сложности управления и экологической опасности позволило, которое позволило сформировать формализованное описание процесса коксования как объекта управления и экологического мониторинга. Сформированы вектора входных, выходных, управляющих, возмущающих воздействий и определена взаимосвязь между ними. Разработана математическая модель, включающая расчеты материального, теплового балансов, гидравлического режима, количеств выбросов вредных веществ коксовой батареей в атмосферу. На основе анализа существующих критериев сформирован критерий оптимизации работы коксовой батареи по технико-экономическим показателям с учетом ограничений на входные и управляющие воздействия, энергетические затраты, экологические показатели и основные показатели качества кокса. Предложены структура и алгоритм функционирования системы оперативного управления коксовой батареей.
Третья глава посвящена разработке методики формирования системы оперативного управления для целей оптимального, безаварийного управления сложным, инерционным, потенциально опасным процессом коксования. Задача синтеза системы оперативного управления коксохимической батареей сводится к разработке структуры и алгоритма функционирования системы; структуры алгоритмического обеспечения системы; выбору методов решения задач, исполняемых каждым из блоков системы.
В четвертой главе отражены результаты практической значимости системы оперативного управления коксохимической батареей. Тестирование разработанного программного комплекса проведено для каждого режима функционирования в соответствии с алгоритмом функционирования системы.
Таким образом, разработана структура, алгоритм функционирования, математическое и программное обеспечение системы оперативного управления коксохимической батареей, которые могут использоваться для оптимального безаварийного управления процессом коксования в режимах интеллектуального советчика оператора и мониторинга на основе математической модели количественных и качественных показателей работы коксохимической батареи и количеств выбросов, обучения операторов процесса коксования угольной шихты при различных его характеристиках (аппаратурно-технологическое оформление, тип сырья, тип кокса). Кроме того, можно рекомендовать использование программного обеспечения системы оперативного управления коксохимической батареей в учебном процессе при обучении оптимальному, экологически безопасному управлению автоматизированными производствами.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) на кафедре систем автоматизированного проектирования и управления; используются для проведения исследовательских работ, проводимых ЗАО НПП «КМК инжиниринг», г. Санкт-Петербург; материалы по диссертационной работе переданы для тестирования ОАО «Северсталь». Разработанное программное обеспечение официально зарегистрировано в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ).
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XIV международной научно-технической конференции "Математические методы в технике и технологиях", Смоленск, 2001; XVII академических чтений РААСН "Современные проблемы строительного материаловедения", Белгород, 2001; XV Международной научно-технической конференции "Математические методы в технике и технологиях", Тамбов, 2002; Международной научно-технической конференции "Передовые концепции интегрированной логистики и экономики предпринимательства в условиях устойчивого развития", Москва, 2002; 27 Международном семинаре «Автоматизация. Программно-технические средства. Системы. Применения», Москва, 2003.
По теме диссертации опубликовано 10 работ, основными из них являются статьи в журналах «Кокс и химия», «Автоматизация в промышленности», «Экологические системы и приборы».
Особенности воздействия коксохимической промышленности на окружающую среду
Коксохимическая промышленность, как и черная металлургия в целом, в экологическом отношении одна из наиболее сложных отраслей промышленности, что обусловлено историей этих производств, принципиальные решения которых были разработаны в период, когда вопросы охраны природы не принимались во внимание, а также спецификой производства и масштабами отрасли. Превращение коксохимической промышленности в малоотходное производство и резкое улучшение экологической обстановки в коксохимии - решающее условие ее существования.
Коксохимическая промышленность СНГ потребляла более ста миллионов тонн угля в год. Добыча угля неизбежно связана с большими капитальными затратами, расходованием значительных материальных, энергетических и трудовых ресурсов, отчуждением больших территорий, очень интенсивным разрушением ландшафтов, образованием очень крупных отвалов пустой породы. Большой экологический ущерб наносится проседанием почвы над выработками. Этот этап, как и транспортирование угля, связан со значительными затратами и должен обязательно учитываться при экологической характеристике коксохимических предприятий.
Стадия обогащения углей зачастую реализуется непосредственно на коксохимическом предприятии. При обогащении образуется 35-40%) от массы угля твердых отходов, из которых на современных обогатительных фабриках до 35-50% приходится на отходы флотации, отличающиеся мелкодисперсностью и высокой влажностью (до 50-60%). Суммарное количество твердых и шламообразных отходов углеобогащения превышает 50 млн.т в год.
На обогащение и последующую обработку углей расходуют большие объемы воздуха и воды. В стоках углеобогатительных фабрик содержится много выщелоченных солей, органические примеси (масла, флотореагенты), а также угольный шлам. На стадии рассева, сушки, хранения углей образуется много пыли.
На основной технологической стадии образуются разнообразные газообразные, жидкие и твердые отходы. Объемы их значительны, а состав отличается сложностью из-за многообразия продуктов, образующихся при коксовании углей. Углекоксовый блок - основной источник выбросов в атмосферу; сточные воды формируются в основном в отделениях обработки газа и, в меньшей степени, в цехах переработки химических продуктов коксования. Эти же отделения оказываются источниками твердых отходов.
Во всех цехах коксохимического производства выделяются токсичные вещества. В табл. 1.1 приведен перечень некоторых из них с указанием токсичности и предельно допустимых концентраций в воздухе и воде [2]. Все эти вещества оказывают значительное неблагоприятное действие на здоровье людей, нанося серьезный ущерб крови, органам дыхания, нервной системе, генетическому аппарату. Особенно опасны 3,4-бензпирен и некоторые другие полициклические ароматические углеводороды, способные вызывать развитие злокачественных новообразований (канцерогены). В реальных условиях действие токсичных веществ может взаимно усиливаться.
К основным взрывоопасным и пожароопасным веществам в коксохимической промышленности относятся: бензол, толуол, ксилол, сероуглерод, аммиак, сероводород, коксовый, доменный и генераторный газы и угольная пыль. Опасность возникновения взрыва обуславливается наличием в воздухе определенного количества взрывоопасных смесей, которые могут состоять из паров, газов и пыли органических веществ. Наименьшее количество горючего вещества, которое, находясь в воздухе, образует с ним взрывоопасную смесь, носит название нижнего предела взрываемости, наибольшее - верхнего предела взрываемости. Чем больше величина разрыва между нижним и верхним пределами взрываемости, тем более взрывоопасна данная смесь. В табл. 1.2 приведены данные о пределах взрываемости некоторых веществ [3].
Углекоксовый блок представляет экологическую опасность в силу ряда специфических особенностей. Прежде всего это неизбежное пылеобразование на стадиях дробления, сушки, классификации топлив при их подготовке к переработке, а также при многочисленных перегрузках. Масштабы этого пылеобразования могут быть значительно уменьшены при использовании закрытых складов, окожушивании, при организации местных отсосов и очистки газов от пыли.
Серьезную опасность представляют выбросы парогазовых смесей при загрузках и выгрузках твердых материалов из аппаратов, работающих при высоких температурах (коксовые печи), так как выделяющиеся газы содержат газообразные и парообразные токсичные вещества. Объемы таких выбросов резко возрастают при нарушении технологического режима, недостаточном внимании к герметизации.
Обработка коксового газа приводит к образованию значительных объемов сточных вод, отличающихся очень высоким содержанием токсичных веществ, связана с выбросами из воздушек, а также с образованием значительных газовых выбросов, в частности, на градирнях конечного охлаждения. Трудно утилизируемыми отходами являются концентрированные стоки сероочистных установок. На стадии переработки химических продуктов также образуются сточные воды и выбросы в атмосферу. В частности, потенциальными и крупными источниками потерь (и выбросов) оказываются воздушники и системы дыхания складов низкокипящих продуктов, в особенности бензольных углеводородов. Высокая летучесть нафталина и присутствие его практически на всех стадиях коксохимического производства объясняют повсеместное загрязнение воздуха в районе коксохимических производств. Заметны выбросы токсичных веществ при вентиляции насосных, отделений конденсаторов.
Источники образования газовых выбросов на коксохимических предприятиях и их характеристики
Основными источниками газовых выбросов являются дымовые трубы коксовых батарей, технологические операции загрузки и выдачи коксовых печей и тушения кокса, градирни цикла охлаждения газа, воздушники оборудования химических цехов, аспирационные системы. Выбросы в атмосферу от разных источников подразделяются на организованные и неорганизованные.
Организованными называют выбросы, отводимые от места образования системой газопроводов, что позволяет использовать для очистки их специальные установки. Неорганизованными являются выбросы, возникающие в результате негерметичности технологического оборудования, газоотводящих устройств, открытых источников. К организованным можно отнести две группы выбросов: организованные технологические, имеющие высокие концентрации вредных веществ и, как правило, небольшие объемы, и организованные вентиляционные, очень значительные по объему, но с малой концентрацией вредных веществ [2,3].
Анализ экологической опасности коксохимического производства
Коксохимическая промышленность СНГ потребляла более ста миллионов тонн угля в год. Добыча угля неизбежно связана с большими капитальными затратами, расходованием значительных материальных, энергетических и трудовых ресурсов, отчуждением больших территорий, очень интенсивным разрушением ландшафтов, образованием очень крупных отвалов пустой породы. Большой экологический ущерб наносится проседанием почвы под выработками. В процессе улавливания и переработки химических продуктов коксования образуются, как известно, весьма разнообразные и сложные по составу отходы производства — газообразные, жидкие и твердые. Согласно неполному перечню, в перерабатывающих цехах коксохимзаводов образуется 60—65 % ассортимента всех отходов в отрасли [2,4,8,30].
Во всех цехах коксохимического производства выделяются токсичные вещества. Эти вещества оказывают значительное неблагоприятное действие на здоровье людей, нанося серьезный ущерб крови, органам дыхания, нервной системе и печени, генетическому аппарату.
Наряду с проблемами управления режимом работы коксохимических батарей с целью обеспечения оптимального соотношения количественных и качественных показателей готовой продукции, для коксохимических предприятий актуальна задача оценки экологического состояния работающих объектов. Для такой оценки прежде всего необходим достаточный систематический контроль составов и количеств вредных веществ, выбрасываемых действующей коксовой батареей. Получаемая при этом информация может быть использована для фактической и сравнительной оценок экологического состояния коксовых батарей.
Однако осуществление такого контроля с помощью прямых инструментальных измерений представляется весьма затруднительным. Во-первых, либо отсутствуют, либо весьма дороги нужные датчики и приборы -внедрение такой автоматической системы контроля при тяжелом экономическом положении предприятий может сделать коксохимическое производство вообще нерентабельным. Во-вторых, и это главное, не существует методик инструментального контроля некоторых выбросов коксовой батареей (например, выделений газов через щели между дверью и рамой коксовой печи); расчет же количества выбросов вредных веществ по их концентрации вблизи источника выбросов неточен и может быть использован только для грубой оценки.
Оценка состояния воздушного бассейна должна давать достоверную информацию для планирования мероприятий по защите окружающей среды. Искажение результатов как в большую, так и в меньшую сторону может привести к принятию ошибочных решений.
Определение характеристик источников выбросов на коксохимических предприятиях имеет свои особенности, связанные с большим разнообразием выделяющихся вредных веществ. Одновременное присутствие нескольких компонентов может мешать определению одного из них. В связи с этим вопрос выбора методик для определения концентрации вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, приобретает большое значение.
Экосистема представляет собой все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке территории и взаимодействующие с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями. При планировании и проведении локального экологического мониторинга необходимо учитывать не только распространение загрязнителей из местных источников, но и поступление их извне за счет глобального и регионального переноса, что существенно также и при определении предельно-допустимых выбросов и допустимой нагрузки на окружающую среду [8].
Загрязнение природной среды изменяется в основном за счет распространения антропогенных загрязняющих веществ в атмосфере на большие расстояния. Это обусловлено тем, что антропогенный выброс в атмосферу смешивается и переносится естественными потоками вещества. Загрязняющие вещества в процессе дальнего переноса претерпевают физико-химические изменения, осаждаются на земную поверхность и включаются в природные процессы миграции.
Коксовые батареи в процессе эксплуатации производят большую часть выделений и выбросов вредных веществ предприятия в атмосферу и водоемы. Основными источниками газовых выбросов являются дымовые трубы коксовых батарей, технологические операции загрузки и выдачи коксовых печей и тушения кокса, градирни цикла конечного охлаждения газа, воздушники оборудования химических цехов, аспирационные системы. В газовых выделениях основными вредными веществами являются: цианистый водород, диоксид серы, сероводород, оксид углерода фенол, аммиак, оксид азота, пыль, сажа, бензол, бенз[а]пирен, сернистый газ [2,4,8,30].
Важным переделом коксохимического предприятия является очистка и утилизация сточных вод [2,4,8,30]. Источниками воды оказываются влага исходного угля; вода, образующаяся при термическом разложении органической массы угля. Кроме того, сточные воды образуются за счет конденсата пара, образовавшегося при пропарке оборудования и нагревании его «острым паром», а также воды, поступающей в технологический цикл при промывках оборудования. Традиционно наибольшее внимание уделяется фенолам, содержащимся в сточных водах, которые зачастую называются «фенольными водами». Это объясняется наибольшей среди других компонентов стоков токсичностью фенолов, а также их способностью образовывать при хлорировании воды хлорфенолы, обладающие повышенной токсичностью и резким неприятным запахом даже при ничтожных концентрациях в воде. Кроме фенолов в сточных водах оказывается значительное количество солей аммония, включая и трудно гидролизующиеся тиоцианат, хлорид и сульфат аммония. В сточных водах имеется незначительное количество нейтральных масел, пиридиновых оснований и смолистых веществ, некоторое количество бензола в виде растворенного в воде продукта, а также эмульсии.
На основе анализа коксохимического производства с точки зрения экологической опасности и анализа фреймов-прототипов «Экологический мониторинг», «Объект экологического мониторинга» были сформированы фреймы-примеры «КХП - объект экологического мониторинга», «Выбросы в атмосферу», «Сточные воды» (рис. 2.2 - 2.4).
Формирование структуры алгоритмического обеспечения системы оперативного управления коксовой батареей
На основе разработанных структуры системы и алгоритма ее функционирования должна быть сформирована структура алгоритмического обеспечения [84] системы оперативного управления. При определении методов решения задач, которые будут выполнять каждый из структурных блоков системы оперативного управления необходимо учитывать требования, предъявляемые к системе управления: 1) точность и адекватность решения поставленных задач; 2) скорость обмена информацией между блоками системы; 3) объем затрачиваемой на алгоритмическую реализацию метода оперативной памяти ЭВМ; 4) требования к техническим средствам. Точность решения обеспечивается выбором алгоритма, предоставляющего наименьшую ошибку математических расчетов при прочих равных показателях (адекватности, скорости расчета, объему затрачиваемой памяти). Адекватность получаемых решений зависит от полноты информации об объекте управления и правильности сформулированных на этой основе функциональных зависимостей, описывающих сущность протекающих в объекте процессов. Обмен информацией между структурными блоками системы оперативного управления коксохимической батареей осуществляется через базу данных технологических параметров. Поэтому скорость обмена между модулями системы зависит от параметров реализованной системы управления базой данных. Поиск семантических решений неформализованных задач осуществляется путем построения решения на основе выбранного алгоритма выводы решения и выбора из базы знаний необходимой информации. Поэтому скорость построения решения определяется алгоритмом системы управления базой знаний. Объем затрачиваемой на выполнение задач памяти ЭВМ определяется количеством входных, выходных и промежуточных переменных, а также распределением памяти при реализации программного обеспечения выбранных алгоритмов решения задач. Требования к техническим средствам определяются необходимыми скоростью расчетов, возможностью отображения цифровой, символьной, графической информации, объемом оперативной памяти. Таким образом, выбор алгоритмического обеспечения должен производиться в соответствии со следующими правилами: 1 .ЕСЛИ выходные параметры процесса, полученные с помощью выбранной математической модели СОВПАДАЮТ (в пределах допустимой погрешности) со значениями выходных параметров объекта в реальных условиях функционирования при равных входных, управляющих и контролируемых возмущающих воздействиях, ТО выбранное алгоритмическое обеспечение удовлетворяет требованиям адекватности; ИНАЧЕ необходима переформулировка математической модели. 2.ЕСЛИ существует более 1 расчетного алгоритма решения математической модели, ТО выбирается алгоритм, обеспечивающий наивысшую точность расчетов. З.ЕСЛИ существует необходимость принятия решения по управлению в нештатной ситуации И/ИЛИ ситуации негативного воздействия на окружающую среду, ТО алгоритм принятия решения и система управления базой знаний должны быть реализованы таким образом, чтобы время обмена информацией между СУБЗ и системой отображения был меньше интервала опроса датчиков при аварии и при увеличении концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны. 4.ЕСЛИ существуют ограничения по затрачиваемому при расчетах объему памяти ЭВМ, ТО алгоритмическое обеспечение должно быть выбрано таким образом, чтобы при расчете количество используемых промежуточных переменных было минимально возможным И программная реализация выбранного алгоритмического обеспечения должна быть выполнена с учетом возможности динамического распределения памяти. Сформированная структура алгоритмического обеспечения системы оперативного управления коксохимической батареей представлена на рис. 3.4. Алгоритмическое обеспечение системы включает следующие группы алгоритмов: функционирования интерпретатор вывода; математической модели (материального, теплового и гидравлического балансов, расчет экологических показателей процесса); система управления таблицами баз данных (основной и справочной); система управления базой знаний; прогнозирования возникновения нештатной ситуации и ситуации негативного воздействия на окружающую среду; консультации в режимах оптимального управления и интеллектуального советчика оператора; внесения управляющих воздействий; средства обучения (автоматизированная обучающая система (АОС), диагностическая модель, динамическая мнемосхема). После определения категории лиц, взаимодействующих с системой в процессе ее разработки и эксплуатации разрабатываются соответствующие интерфейсы системы с учетом структуры и алгоритма функционирования системы оперативного управления, исходя из эргономических требований. Интерфейс разработчика предоставляет пользователю, зарегистрировавшемуся с помощью определенного пароля, все возможности системы оперативного управления коксохимической батареей: - заполнение пустых базы данных и базы знаний; - редактирование и дополнение базы данных и базы знаний; - изменение настроечных коэффициентов математической модели; - расчет по математической модели. Интерфейс оператора предоставляет пользователю возможность работы в режимах обучения оператора и управления процессом. Интерфейс позволяет оператору вносить изменения в базу данных технологических параметров и экологических характеристик (изменять текущие значения) непосредственно с помощью изменения на динамической мнемосхеме значений управляющих воздействий и последующего перерасчета по математической модели. Также на динамической мнемосхеме отображены текущие значения ингредиентов вредных выбросов и, для наглядности, их предельно-допустимые концентрации. В случае превышения концентрациями предельно допустимых значений предусмотрена световая и звуковая сигнализации. Изучение возможностей возникновения нештатных ситуаций и ситуаций негативного воздействия на окружающую среду производится с помощью интерфейса, позволяющего отследить возникновение этих ситуаций в интерактивном режиме. Изучение данных ситуаций производится с помощью процедуры, выдающей в предусмотренном окне диалога по выбранному названию параметра и заданному обучаемым его значению описание ситуаций, причин, их вызывающих, и рекомендаций по их устранению. В режиме управления процессом коксования оператору предоставляется динамически изменяемая мнемосхема, на которую наносятся управляющие воздействия, автоматически производится перерасчет технологических параметров и экологических показателей и анализируется обнаружение нештатной ситуации и ситуации негативного воздействия, выявляются их истинные причины и выдаются рекомендации по их устранению. В случае возникновения нескольких ситуаций негативного воздействия выбор последовательности действий производится в соответствии с предусмотренной системой приоритетов, т.е. в первую очередь оператор получит описание той ситуации, которая имеет наиболее высокий класс опасности. Оператор имеет возможность изучения вариантов компоновки технологического оборудования по диагностической модели, выдающей рекомендации по контролю параметров при каждом из 48 возможных вариантов. Для оценки полученных знаний интерфейс обеспечивает доступ к автоматизированной обучающей системе, содержащей вопросы по тепловому и гидравлическому режимах, оценки экологического состояния коксовых батарей.
Выбор оптимальных значений управляющих воздействий с использованием системы оперативного управления
Предложено формализованное описание объекта экологического мониторинга, которое позволяет описать промышленное предприятие, производство с точки зрения его экологической опасности (влияние на окружающую среду, виды отходов, источники загрязнения и их характеристики, категория экологической опасности объекта). 2. Анализ литературных источников о современных системах управления и системах экологического мониторинга показал, что для оптимального управления сложным, потенциально опасным процессом коксования актуальна разработка системы оперативного управления, т.к. существует необходимость расчета технологических параметров процесса и количеств вредных выбросов по математической модели с помощью эмпирических и полуэмпирических зависимостей, привлечения экспертных знаний как при разрешении нештатных ситуаций на процессе, так и ситуаций негативного воздействия на окружающую среду. Сформулированное формализованное описание процесса коксования как объекта управления и фреймовое описание коксохимического производства как объекта экологического мониторинга содержит анализ изменяющихся характеристик процесса и позволяет адаптировать систему оперативного управления коксовой батареей к характеристикам конкретного коксохимического производства. 3. Разработана структура системы оперативного управления для оптимального, безаварийного, экологически безопасного управления коксохимической батареей, в состав которой входят: математическая модель коксовой батареи (более 100 эмпирических уравнений расчета); БЗ, содержащая описание нештатных ситуаций (описание 9 нештатных ситуаций, 25 причин их возникновения и 35 рекомендаций по устранению) и описание ситуаций негативного воздействия (описание 12 ситуаций негативного воздействия на окружающую среду, 18 причин их возникновения и 18 рекомендаций по устранению); БД, включающая следующие связанные таблицы: таблицу с описанием технологических параметров (155 параметров процесса коксования); таблицу с описанием экологических показателей, которая содержит информацию о выбросах 12 вредных веществ коксовой батареей; справочная таблица, которая содержит дополнительную информацию о вредных компонентах выбросов; интерпретатор вывода, блок мониторинга, блок оптимизации, интерфейс лица, принимающего решения. 4. Математическая модель настраивается на различные варианты аппаратурно-технологического оформления процесса коксования путем подбора значений эмпирических коэффициентов. 5. Анализ требований, предъявляемых к системам управления и к системам экологического мониторинга, методов их синтеза, позволил предложить методику формирования системы оперативного управления для оптимального безаварийного, экологически безопасного управления сложным, инерционным, потенциально опасным процессом коксования при различных его модификациях и оформить ее в виде продукционно-фреймового алгоритма. 6. На основе алгоритма синтеза сформирована система оптимального управления коксовой батареей, выбраны алгоритмы функционирования отдельных подсистем, модель представления знаний (продукционно-фреймовая), разработано математическое и программное обеспечение системы, реализованное в среде объектно-ориентированного визуального программирования Borland C++ Builder 5.0 в виде исполняемого модуля и программы инсталляции, позволяющие интегрировать разработанную систему в действующую систему управления процессом коксования. Разработанное программное обеспечение официально зарегистрировано в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ). 7. Тестирование сформированной системы по данным с различных коксохимических предприятий показало применимость ее в режимах интеллектуального советчика оператора, мониторинга на основе математической модели количеств выбросов, обучения управленческого персонала выбору оптимальных значений управляющих воздействий и ликвидации нештатных ситуаций и ситуаций негативного воздействия на окружающую среду. 8. Положительный эффект при использовании системы оптимального управления коксовой батареей достигается за счет оперативной оценки экологического состояния коксовой батареи и ТЭП процесса коксования и выбора оптимальных значений управляющих воздействий, снижения аварийности процесса, повышения квалификации управленческого персонала, что приводит к улучшению качества кокса, повышению производительности коксовой батареи, снижению затрат на сырье и энергоносители при соблюдении экологических требований, снижению затрат на обеспечение минимального количества выбросов вредных веществ. Количества выбросов могут быть включены в суточный рапорт коксового цеха. Вопросы охраны атмосферы должны на фактической основе стать объектом постоянного внимания персонала. 9. Разработанный алгоритм функционирования позволяет оценивать уровень загрязнения атмосферы действующей коксовой батареи при переходе на другую технологию коксования. Оперативное и надежное определение количеств выбросов вредных веществ за квартал позволяет скорректировать лимиты и платежи коксохимического предприятия за выбросы. 10. Результаты работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) на кафедре САПРиУ, применяются при проектировании наукоемких технологий, проводимых ЗАО НИН «КМК инжиниринг» (г. Санкт-Петербург), материалы переданы для тестирования на коксохимическое производство ОАО «Северсталь».