Содержание к диссертации
Введение
1. Описание технологического процесса 13
1.1 . Производство пероксида водорода изопропиловым методом 13
1.2.Описание стадии окисления изопропанола 16
1.3.Проблемы при ведении процесса окисления изопропилового спирта...22
1.4.Анализ современной ситуации при управлении процессом получения пероксида водорода 26
1.5.Аварии и нештатные ситуации, возникавшие при производстве пероксида водорода на Чебоксарском заводе «Химпром» 30
1.6.Постановка задачи оперативного управления процессов получения пероксида водорода в условиях нештатной ситуации 34
1.7.Экспертные и диагностические системы в оперативном управлении химическими процессами 38
1.8.Выводы. Постановка задачи 48
2. Сбор и верификация экспертной информации 50
2.1. Методы сбора экспертной информации 50
2.2. Поиск исключение ошибок в ответах экспертов 53
2.3. Сбор знаний о стадии окисления РШС в процессе получения пероксида водорода 54
2.3.1. Подготовительный этап и выбор формы представления экспертных знаний 54
2.3.2. Подготовка опросных листов и анкетирование 61
2.4. Обработка экспертных знаний о процессе получения пероксида водорода 74
2.4.1. Обработка опросных листов. Составление обобщенного мнения 74
2.4.2. Предварительная формализация экспертной информации 81
2.5. Метод сигнальных направленных графов 82
2.5.1. Структура, построение и методика обработки направленных сигнальных графов 82
2.5.2. Методика составления диагностических правил на основе направленных сигнальных графов 90
2.6. Выводы к главе 2 93
3. Структура системы оперативного управления процессом ППВ 96
3.1. Общая концепция оперативного управления и диагностики процессом ППВ 96
3.2.Общая структура системы оперативного управления процессом ППВ в нештатных ситуациях 100
3.3 .Разработка диагностической модели 104
3.3.1. Выбор структуры диагностической модели 104
3.3.2. Декомпозиция объекта диагностирования 108
3.4. Разработка структуры корневых и дочерних фреймов 110
3.5.Формирование фреймов 121
3.5.1. Формирование фреймов для технологических нарушений 121
3.5.2. Формирование фреймов нештатных ситуаций, описывающих нарушения в работе каналов измерения и управления 130
3.5.3. Формализация информации о нарушениях в измерительных каналах 134
3.6.Алгоритм функционирования подсистемы диагностики 135
3.7. Выводы к главе 4 141
4. Реализация системы оперативного управления и диагностики 143
4.1.Техническое обеспечение СОУ процессом ППВ 143
4.2.Информационное обеспечение СОУ процессом ППВ 144
4.3 . Техническая реализация системы оперативного управления 145
4.4.Проверка работы системы в режиме имитации 156
4.5. Экспериментальная проверка СОУ на имитационных моделях 157
4.6. Выводы к главе 4 160
Выводы 161
Приложения 164
- Производство пероксида водорода изопропиловым методом
- Подготовительный этап и выбор формы представления экспертных знаний
- Общая концепция оперативного управления и диагностики процессом ППВ
- Техническая реализация системы оперативного управления
Введение к работе
Пероксид водорода является одним из важнейших продуктов химической промышленности. Масштабы его применения необычайно широки - от медицины и бытовой химии до металлургии, сельского хозяйства и охраны окружающей среды. Благодаря высокому содержанию активного кислорода и ряду уникальных свойств этот продукт используют как окисляющий, гидроксилирующии и эпоксидирующии агент в химических производствах, как эффективное отбеливающее средство для хлопка, текстиля, шерсти, бумаги, мехов, мыл, различных искусственных и синтетических волоки; некоторые производные пероксида водорода входят в качестве компонентов в состав синтетических моющих средств, производство которых в последние годы достигает все более крупных масштабов. Пероксид водорода также широко применяется в косметической, фармацевтической, пищевой, строительной отраслях промышленности, используется в космической технике, в подводных и подземных работах и т. д.
Особое достоинство пероксида водорода при его применении состоит в том, что в противоположность многим другим подобным реагентам от его участия в реакциях никаких отходов кроме воды не образуется. Только применение пероксида водорода с его уникальными свойствами сделало возможным внедрение в промышленность ряда новых прогрессивных процессов, характеризующихся высокой интенсивностью, безотходностью, совершенством технологических схем, это, например, процессы получения глицерина через аллиловый спирт, оксидов олефинов, гликолей и различных эпоксидов каталитическим путем.
Такие широкие перспективы, связанные с применением пероксида водорода, вызывают непрерывное возрастание спроса на этот продукт, что, в свою очередь, стимулировало бурное развитие его производства в большинстве развитых стран.
Технический прогресс в области производства пероксида водорода за последние двадцать лет выразился в совершенствовании существующих и внедрении новых процессов его получения. В настоящее время в промышленности используют три метода получения пероксида водорода: традиционный электрохимический и органические методы - так называемый антрахинонный метод и метод, использующий реакцию жидкофазного окисления изопропилового спирта (изопропиловый метод).
Работы в области изопропилового процесса привели к созданию более совершенных технологических схем повышенной мощности, оригинального и более эффективного аппаратурного оформления. Этот способ отличается высокой экономичностью.
Характерные опасности производства пероксида водорода обусловлены возможностью образования смесей взрывоопасных концентраций из горючих веществ (ацетона, ИПС и др.) с воздухом, и, в связи с этим, данный процесс относится к потенциально-опасным процессам, для которых предусмотрены специальные системы защиты и блокировки. Однако срабатывание этих систем происходит только при достижении контролируемыми параметрами критических значений, то есть, когда развитие аварийной ситуации уже стало необратимым и привело к необходимости частичного или полного останова процесса.
Нарушения и нештатные ситуации, возникающие при ведении стадии окисления изопропилового спирта (ИПС) воздушно-кислородной смесью (ВКС) наиболее опасны и чаще всего являются причинами приводящими к большим материальным потерям, а также к авариям и повреждению оборудования.
Необходимо отметить, что химические и физико-химические процессы (такие как образование пероксида водорода, его разложение, массообмен и т.д.), протекающие на стадии окисления очень сложны, так как окисление изопропилового спирта молекулярным кислородом в жидкой фазе в зависимости от условий ведения процесса, количества имеющихся примесей и
7 даже состояния стенки реактора может приводить к образованию разнообразных кислородосодержащих продуктов. На основании этого можно сказать, что процесс окисления ИПС отличается многоальтернативностью характера протекания и большими неконтролируемыми возмущениями.
Сложность описания этих физико-химических процессов, разброс параметров исходного сырья и другие неконтролируемые возмущения привели к тому, что в настоящее время не существует достаточно полного математического описания для вышеуказанного процесса. Попытки создать полную универсальную теоретическую математическую модель пока не увенчались успехом.
Статистические модели, входящие в математическое обеспечение существующих на данный момент АСУ ТП позволяют проводить анализ и оптимизацию процесса исключительно в нормальных регламентных режимах. Они оказались неадекватны в условиях нештатной ситуации.
В результате успешное ведение процесса с минимальным количеством срабатываний системы защиты обеспечивается опытностью оператора.
В то же время для ведения процессов такого класса широко используются системы, основанные на знаниях специалистов-профессионалов, то есть экспертные системы (ЭС). Экспертные системы являются наиболее распространённым видом интеллектуальных систем, ориентированных на использование опыта высококвалифицированных специалистов в специфических областях, где важен эмпирический опыт [1,2,3,4,5,6,7].
Поэтому создание диагностических экспертных систем, позволяющих повысить безаварийность протекания процесса ПИВ и улучшить его ТЭП, является сегодня актуальной научной задачей и рассматривается, как один из путей повышения надежности, экологической и производственной безопасности, достижения более экономичной работы предприятий по производству пероксида водорода изопропиловым методом. Создание системы оперативного управления и диагностики, в задачу которой входило бы более раннее обнаружение возможных нарушений, нештатных ситуаций и
8 определение причин их возникновения, позволяющее заблаговременно принять необходимые меры по возвращению процесса в регламентные рамки привело бы к сокращению экономических потерь, связанных со срабатыванием системы защиты.
В связи с тем, что система диагностики должна использовать знания
человека-эксперта, а также вследствие малого числа
высококвалифицированных экспертов возникает необходимость верификации экспертной информации и подтверждения ее путем выявления причинно-следственных связей в объекте диагностирования.
В связи с этим, целью работы является разработка системы оперативного управления и диагностики процесса ППВ, работающей как экспертная система, и использующей все имеющиеся знания о процессе (как опытные, так и теоретические).
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
формирование группы экспертов и сбор информации;
подтверждение экспертной информации путем качественного анализа процесса при помощи метода направленных сигнальных графов (НСГ);
декомпозиция объекта и синтез диагностической модели;
разработка структуры системы оперативного управления и диагностики (СОУД) процесса ППВ;
разработка алгоритма оперативного управления в нештатных ситуациях;
разработка программного обеспечения для СОУД;
проверка работоспособности системы.
В диссертации изложены основные результаты проведенной научно-исследовательской работы по разработке и практической реализации системы оперативного управления и диагностики процесса ППВ.
Работа состоит из введения, четырех глав и приложений.
В первой главе приведено краткое описание процесса получения пероксида водорода изопропиловым методом, рассмотрена технология и существующая система управления и защиты для наиболее опасной и сложной
9 стадии процесса - стадии окисления ИПС, проведён анализ процесса как объекта диагностики, выявлены особенности его ведения и контроля. Дан аналитический обзор и анализ зарубежных и отечественных экспертных диагностических систем, используемых для оперативного управления потенциально-опасными процессами в различных отраслях промышленности. Сформулирована общая задача исследования и определен ряд подзадач, которые необходимо решить.
Во второй главе рассмотрены различные способы приобретения экспертных знаний и методы верификации полученной информации. Описана процедура сбора информации с помощью разработанных опросных карт, в результате которой было выявлено множество, включающее возможные нарушения и свойственные данным нарушениям симптомы. Также были оценены экспертами весовые коэффициенты каждого симптома при конкретном нарушении, отражающие обязательность проявления симптома в рассматриваемой ситуации, определены эксплуатационные пороговые значения технологических параметров, превышение которых соответствует, по мнению экспертов, выходу процесса во внерегламентную область, степень опасности каждой нештатной ситуации (для расчета приоритета ситуации в случае возникновения конфликтов при работе ситемы) и частоты возникновения ситуации (для обоснования целесообразности использования системы оперативного управления и диагностики). На основании экспертной информации были определены необходимые корректирующие воздействия для устранения каждой нештатной ситуации и оценено время, необходимое для возвращения процесса в нормальный режим после нанесения дискретных корректирующих воздействий.
Ввиду малого количества экспертов и невысокой квалификации части из них для повышения достоверности информации был применен метод НСГ. Данный метод позволяет провести качественный анализ процесса с целью подтверждения причинно-следственных связей, указанных экспертами. В результате при помощи НСГ были подтверждены взаимосвязи между
10 нарушениями и их проявлениями, определенные на основании экспертной информации, выявлены неточности в показаниях экспертов, противоречие в организации самой системы управления процессом ППВ.
Приведён сравнительный анализ различных моделей представления знаний (МПЗ) и обосновано использование выбранной структуры модели, в качестве которой используется комбинированная фреймово-продукционная модель, как наиболее отвечающая характеру решаемой задачи и позволяющая объединить достоинства и избежать недостатков фреймовых и продукционных систем в чистом виде. В качестве правил продукции в ДМ использовались продукционные правила, которые были получены в результате анализа и верификации экспертной информации. В эти правила введены весовые коэффициенты и степени проявления для симптомов, которые участвуют в расчете уверенности вывода.
В третьей главе рассмотрена общая структура системы оперативного управления процессом ППВ в нештатных ситуациях, представляющая собой программно-технический комплекс, предполагающий интеграцию в АСУ ТП. Ядром системы являются база знаний, содержащая ДМ, и интерпретатор, реализующий последовательность диагностических процедур.
Сформирована ДМ процесса ППВ, основу которой составляет фреймовая сеть из корневых фреймов одинаковой структуры, содержащих информацию об основных, выделенных при декомпозиции стадиях процесса. В качестве примера формирования и заполнения корневого фрейма модели рассмотрен фрейм "Окисление". Каждому корневому фрейму соответствует совокупность дочерних фреймов нижнего уровня иерархии сети, содержащих описание нештатных ситуаций, которые могут произойти на этой стадии, а также необходимые меры по их устранению. Состав слотов дочернего фрейма и их заполнение показано на примере фрейма «Разложение пероксида водорода в реакторе окисления».
Разработан алгоритм работы системы, который основан на сформированной диагностической модели процесса ППВ.
В четвёртой главе освещены вопросы технической и программной реализации разработанной системы оперативного управления и диагностики.
Техническая реализация системы диагностики базируется на аппаратуре нижнего уровня АСУ ТП и компьютере верхнего уровня. Программное обеспечение (ПО) системы имеет модульную структуру. Описано техническое, программное и информационное обеспечение системы и техническая структура системы, а также структура ПО.
Приведены результаты исследования работы системы в режиме имитации. Тестирование системы прошло успешно. Были проверены все возможные нарушения, содержащиеся в БЗ системы.
В приложениях содержатся заполненные экспертами опросные листы, результаты формализации лингвистических переменных, использовавшихся экспертами при оценивании. Приведены упрощенные и обработанные НСГ для каждой указанной экспертами нештатной ситуации, а ДМ системы оперативного управления и диагностики процессом ППВ (стадии окисления ИПС) представлена в виде набора разработанных фреймов. Приложения содержат также примеры экранов, иллюстрирующих работу системы и копии документов, подтверждающих полезность выполненной работы.
В процессе выполнения работы были получены следующие новые научные результаты:
Проведена декомпозиция объекта и знаний о нем, в результате чего была синтезирована двухуровневая диагностическая модель процесса ППВ, включающая в себя экспертные и теоретические знания о нем.
Для повышения достоверности экспертной информации, путем подтверждения причинно-следственных связей между нарушениями и их проявлениями, предложена методика ее верификации на основе использования направленных сигнальных графов.
Модифицирован алгоритм оперативного управления процессом ППВ в нештатных ситуациях, использующий непрерывную диагностику состояния технологического процесса, а также состояния каналов измерения и
12 управления. Алгоритм позволяет осуществлять блокировку повторного обнаружения нештатной ситуации, в случае, если для ее устранения нанесены на объект корректирующие воздействия.
4. Предложена методика учета неопределенностей при построении диагноза, а именно методика расчета степени уверенности вывода, в которой учитывается: степень проявления симптома, отражающая неоднозначность границы нарушения; минимальное значение степени проявления симптома для гарантии резонности результата (вывода) и предотвращения ложных срабатываний правил; весовые коэффициенты для отражения важности наличия симптома при обнаружении нарушения; среднее значение степени проявления всех симптомов в рассматриваемом правиле, чтобы отразить в численном значении степени уверенности вывода то, насколько наблюдаемая ситуация на процессе отличается от описанной правилом; степень проявления симптома с максимальным весом, т.е. наиболее важного симптома в процедуре обнаружения нарушения, и относительно этого значения степени проявления остальных симптомов в правиле.
Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в уменьшении числа срабатываний системы защиты за счет раннего обнаружения нештатных ситуаций и предотвращения их развития, а, следовательно, повышении уровня безопасности и экологичности процесса
ппв.
Результаты работы были переданы в РНЦ «Прикладная химия», на производство «Пеноплэкс», а также в ООО «Перам».
Производство пероксида водорода изопропиловым методом
В основной технологической схеме процесса получения пероксида эдорода изопропиловым методом можно выделить три главные стадии (рис. 1): гадию окисления спирта и две стадии ректификации для разделения еакционной смеси; на первой из них происходит выделение пероксида водорода виде водного раствора и отделение смеси образовавшегося ацетона с збыточным спиртом, на второй - производится разделение этой смеси на тдельные компоненты [8]. Кроме перечисленных технологическая схема ключает также ряд вспомогательных стадий.
Процесс начинается с подготовки основного сырья - изопропилового пирта (ИПС). Подготовка спирта к процессу окисления сводится к его истилляции на колонне 3 с целью отделения тяжелокипящих и твердых іримесей, в частности ионов и оксидов железа и других тяжелых металлов, :оторые могут вредно влиять на процесс окисления и на стабильность пероксида юдорода. Колонна 3 иногда работает как ректификационная, поскольку на нее южет поступать спирт из рецикла, если в процессе переработки смесей стадии жисления произошло излишнее обводнение возвратного спирта или его агрязнение. Колонна работает при атмосферном давлении и соответствующих ітому давлению температурах.
Одновременно с подготовкой спирта заготавливается водный раствор стабилизатора, в частности NaHiP04, который непрерывно дозируется в спирт, юдаваемый на окисление. ИПС окисляют в системе, состоящей из реактора окислителя 7 и юответствующей теплообменной аппаратуры: подогревателей спирта и воздуха, конденсаторов, холодильников. , участвующие в процессе проходят противотоком друг к другу: іирт, поступающий в верхнюю часть реактора, движется вниз, воздух, юпергированный внизу реактора, в виде пузырьков поднимается вверх, юнизывая жидкий поток и взаимодействуя с ним. Реакционная смесь, содержащая 9-10% пероксида водорода, выходит из :актора снизу, проходит систему холодильников 2, 5, дросселируется и бирается в емкости 1. Отработанный окисляющий газ охлаждается в обратном шодильнике 5, при этом из него конденсируются органические вещества -гарт, ацетон с примесью воды, который возвращается в реактор. Далее газ уступает на промывку водой в абсорбер (на схеме отсутствует). Промывную )ду используют в процессе для разбавления реакционной смеси перед ее їзделением. Пероксид водорода выделяют из реакционных смесей в жтификационной колонне 8. Процесс ректификации осуществляется под ікуумом при температуре в кубе колонны не выше 90-95 С. Температура верха шонны, куда уходят пары ИПС, ацетона и воды, в зависимости от вменяемого давления и состава паров может колебаться от 40 С до 60 С. олучаемый из куба колонны раствор пероксида водорода кроме основного ;щества содержит примеси (ИПС, ацетон, уксусная кислота, нитрат аммония), ри необходимости его дополнительно очищают от примесей. Отгоняемая на этой стадии в дистиллят смесь спирта, ацетона и воды уступает далее для выделения ацетона в колонну 9, имеющую 60 тарелок и іботающую под атмосферным давлением.
Процесс гидрирования ацетона осуществляется в системе с рециклом )дорода в трубчатом контактном аппарате 10. Теплоту реакции гидрирования гводят путем испарения в межтрубном пространстве реактора изопропилового тирта или какого-либо другого органического растворителя. Поэтому ежтрубное пространство реактора связано с конденсатором, где шденсируются пары теплоотводящего агента, и последний в жидком состоянии возвращается в межтрубное пространство, находясь, таким образом, в щикле.
Парогазовая смесь, прошедшая катализатор и состоящая после шершения реакции гидрирования из водорода и изопропилового спирта с римесью неконвертированного ацетона, проходит далее конденсационную -істему 11, фазоразделитель 12; после чего сконденсированный спирт извращается в систему окисления, а водород остается в рецикле, куда через азоразделитель вводят свежий водород на восполнение затраченного, езначительную долю рециркулирующего водорода сбрасывают для вывода акопившихся примесей через водяной абсорбер.
Как показывает рассмотрение технологической схемы, ее отличают ростота и однотипность основных стадий (массообменные процессы), а также іпаратов (типовые, колонные), отсутствие ручных операций и полная епрерывность процесса.
Рассмотрим более подробно наиболее опасную и сложную стадию в производстве пероксида водорода - окисление изопропилового спирта воздушно-кислородной смесью (ВКС). Описание технологического процесса стадии окисления будем вести по технологическому регламенту Чебоксарского завода «Химпром» [9].
Стадия окисления изопропанола на Чебоксарском заводе состоит из трех технологических параллельно работающих идентичных блоков. В схеме каждого блока реактор, теплообменная аппаратура и коммуникации. Ввиду идентичности обвязки дадим описание лишь одной «нитки». Управление процессом ведется программно-техническим комплексом (микроконтроллер типа «Ломиконт-Л112» с персональной ЭВМ типа ІВМ.РС и пультом ручного управления). В реакторе R 22 (рис. 2) происходит процесс окисления изопропанола кислородом воздушно-кислородной смеси.
Подготовительный этап и выбор формы представления экспертных знаний
Сбор знаний о выбранном объекте диагностирования проводился в несколько этапов. На первом этапе использовались в основном текстологические методы. В ходе этого, по своему характеру подготовительного, этапа велось изучение специальной литературы: монографий, докладов, учебников, технологического регламента и других нормативных документов.
Были изучены химические и физико-химические процессы, протекающие в реакторе окисления. Была проведена предварительная классификация режимов работы реактора окисления, выявлены основные возможные нарушения режима работы, их характеристики и меры, принимаемые системой защиты в этих случаях.
Первый этап является очень важным, поскольку от полноты и глубины проведённого предварительного анализа во многом зависит успех следующих этапов - собственно извлечения экспертных знаний [53,55].
Известно, что значительная часть знаний человека (в том числе и профессиональных) является неосознанной [65]; неосознанными являются и многие факторы, определяющие процесс оценки и анализа им сложных, многоаспектных ситуаций [66]. В силу этого эксперту зачастую сложно правильно и полностью отразить причинно-следственные связи своих умозаключений. В результате приведение своих знаний к такому логическому виду, который может быть отражен в БЗ системы, является для эксперта весьма сложной задачей.
Большую роль при воспроизведении экспертом своих знаний играют способы организации экспертного опроса. Т.е., на основании количества и качества полученной на первом этапе информации разрабатывались процедуры экспертного опроса, которые были построены таким образом, чтобы, с одной стороны, минимизировать работу эксперта, с другой стороны, позволять анализировать получаемую от него информацию с точки зрения ее согласованности.
Результатом первого этапа стало построение, так называемой, скелетной модели [53], которое включает определение используемых терминов, необходимых предметных знаний и выводов. Выделено, на что нужно обратить внимание в процессе извлечения знаний и как трактовать полученную информацию.
На этом этапе необходимо было решить такой важный вопрос как выбор формы представления знаний эксперта. Здесь необходимо учитывать такие факторы, как однородность представления знаний и простоту понимания. Однородность представления приводит к упрощению механизма управления логическим выводом и управления знаниями. Представление знаний должно быть понятно и экспертам и пользователям, в противном случае затрудняется их приобретение и их оценка. Кроме того, не следует забывать, что представление знаний определяет характеристики всей системы.
В настоящее время существуют различные подходы к представлению знаний, которые обычно подразделяют на декларативные (логические схемы и семантические сети) и процедуральные (продукционные системы) формы представления знаний [67] .
Логическая модель используется для представления знаний в системе логики предикатов первого порядка и имеет очень широкую область применения. Это объясняется в первую очередь тем, что механизм вывода для такой модели может быть легко запрограммирован.
Отличительной чертой логической модели является единственность теоретического обоснования и возможность реализации формально точных определений и выводов [1,68,69].
Знания, которые могут быть записаны с помощью логики предикатов, являются фактами, представленными логическими формулами. Для представления какой-либо области в виде логических формул, прежде всего, необходимо выбрать константы, которые определяют объекты в данной области, а также функциональные символы и предикатные символы, которые определяют соответственно функциональную зависимость и отношения между объектами. Определив константы, функциональные и предикатные символы, можно по определённым правилам построить логические формулы, описывающие данную область [4]. Значит, БЗ в этом случае представляет собой набор логических формул, который и составляет описание предметной области, а поиск необходимых сведений в БЗ осуществляется посредством аппарата логического вывода [70].
Однако записать знания в таком виде не всегда удаётся, например, в тех случаях, когда затруднён выбор вышеуказанных трёх групп символов или же эти знания превышают возможности представления в логике предикатов [1,68].
Логическая форма представления знаний имеет ряд преимуществ. Во-первых, как уже было отмечено выше, логика обеспечивает чёткий, достаточно хорошо отработанный формализм представления. Во-вторых, благодаря применению формальных правил получения вывода, обеспечивается гарантия правильности заключений. В логике предикатов можно логически выводить новые факты и правила из заданного определённого набора. Программируются предикаты в основном на Прологе, и в связи с этим возникает такой минус, как сложность понимания процесса исполнения программы на Прологе [1,4,68,71].
Отрицательным моментом в использовании логики предикатов является то, что такой логический подход применим только для, так называемых, монотонных рассуждений, когда при появлении новых фактов полученные ранее заключения не пересматриваются. В то время как для процесса человеческого мышления свойственно как раз обратное - пересматривать свои заключения с появлением новой информации [4].
Кроме того, существуют ограничения для выразительной способности исчисления предикатов в отношении представления возможностей, намерений, доверия и т.п. Следовательно, в тех случаях, когда предметной области присущи какие-либо неопределённости, применение логической модели нецелесообразно [1,68].
Общая концепция оперативного управления и диагностики процессом ППВ
Определение технического состояния объекта диагностирования производится системой диагностики по характеризующей его совокупности диагностических показателей, являющихся результатом сравнения текущих значений контролируемых параметров (или их функций, например, скорости) с соответствующими пороговыми величинами. В зависимости от полученных значений диагностических показателей и на основе разработанной ДМ, связывающей эти показатели с характеризуемыми ими нештатными ситуациями, производится оценка состояния объекта диагностики типа "в норме - не в норме" и определяются причины возникновения отказов [72]. При этом информация о значениях и динамике диагностических показателей используется системой не только для идентификации текущего состояния объекта диагностирования, локализации отказов в объекте диагностирования, но и для прогнозирования его развития.
Эффективность работы системы диагностики определяется не только полнотой и правильностью знаний, вложенных в ДМ, но также в значительной мере зависит от организации стратегии диагностирования.
Может быть реализовано несколько стратегий диагностики. Первая состоит в полной ревизии объекта по жесткому графику вне зависимости от его состояния, при которой происходит расчет всех возможных диагностических показателей [84]. Недостатком такой стратегии является возможность пропуска нарушения в промежутках между ревизиями. В то же время уменьшение периода ревизии приводит к увеличению потерь времени и ресурсов на проведение диагностических процедур, большинство из которых придется на время нормального функционирования объекта.
Другим вариантом стратегии является проведение двухэтапной диагностики. На первом этапе с высокой частотой (много большей, чем при первой стратегии, вплоть до равной дискретности опроса датчиков) производится контроль автоматически измеряемых параметров и вычисление на их основе диагностических показателей с целью определения общего состояния объекта. На втором этапе в случае, если один или несколько показателей оказались не в норме, что свидетельствует о возникновении, нештатной ситуации, осуществляется полная ревизия объекта с выполнением всех диагностических процедур.
В данной работе представляется целесообразным использовать двухэтапную стратегию, предполагающую мониторинг состояния объекта диагностирования по ограниченной совокупности показателей и периодическую (через более длительные, чем в первом случае интервалы) ревизию состояния объекта с выполнением всего возможного набора диагностических процедур. Инициализации этих ревизий производятся и при обнаружении аномалий во время мониторинга [85].
Показатели, по которым диагностическая система производит мониторинг состояния объекта, должны быть обеспечены инструментальными средствами для контроля входящих в них параметров процесса, а также средствами автоматического пробоотбора и пробоподготовки для осуществления возможности автоматизации этого контроля. Их совокупность должна гарантировать достижение достаточно большой вероятности правильного определения состояния объекта (Рос 0.5). Необходимый уровень Рос и величины межповерочных интервалов выбираются, исходя из динамики процесса в объекте диагностирования и важности своевременного обнаружения отказов, опасности запаздывания в обнаружении и тому подобных факторов.
Итак, основным параметром, во многом определяющим эффективность выбранной стратегии, будет значение частоты расчета диагностических показателей, выполняемого на первом этапе. При выборе дискретности проверки состояния процесса ППВ одной стороны следует учесть максимально возможную скорость изменения того или иного параметра, а с другой стороны минимальную дискретность опроса автоматически измеряемых аналоговых параметров, реализуемую при управлении и осуществляемую микроконтроллером нижнего уровня. Так, например, для процесса окисления ИПС в производстве пероксида водорода дискретность опроса датчиков составляет Ао=5 секунд. Основными параметрами, которые характеризуют состояние процесса окисления, являются: температура в реакторе окисления, давление в реакторе окисления, массовая доля кислорода в отходящем газе, расходы и температуры потоков ИПС, ВКС и флегмы, массовые доли пероксида водорода и уксусной кислоты по секциям реактора, уровень в реакторе. Некоторые из этих показателей при внезапных и быстроразвивающихся нарушениях за два-три цикла опроса могут выйти из области нормального режима (области регламентного развития процесса), что будет свидетельствовать о возникновении нештатной ситуации. У медленноменяющихся параметров, таких как температура, время изменения которых с «нормального значения» до «предаварийного» даже при внезапных нарушениях может достигать (5-10)Д0. Очевидно, что для такого инерционного объекта как реактор окисления нецелесообразно принимать дискретность проверки меньше дискретности опроса датчиков, реализуемой в системе управления. Однако, для достижения раннего обнаружения нештатных ситуаций, также невыгодно увеличивать этот период до нескольких циклов опроса, поэтому можно сделать общий вывод о необходимости осуществления проверки состояния всех автоматически измеряемых параметров с той же дискретностью, с какой они поступают в систему управления процессом, действующую в нормальном режиме.
Техническая реализация системы оперативного управления
Подсистема оперативного управления процессом в нештатных ситуациях выделена в отдельный модуль и в качестве средств её разработки, как и других модулей, использована среда визуальной разработки Delphi 5.0 и язык программирования Delphi Object Pascal фирмы Borland/Inprise. Это объясняется достоинствами среды программирования Delphi, к которым можно отнести мощный, высокопроизводительный компилятор, позволяющий генерировать автономные 32-битные приложения для работы под управлением операционных систем (ОС) Windows 95/98/Me/NT/2000, объектно-ориентированные средства визуального программирования.
Универсальный механизм доступа к базам данных BDE (Borland Database Engine) позволяет обеспечить легкую переносимость программ на сетевые компьютеры без перекомпиляции исходного кода, а также дает возможность работать с несколькими наборами данных путем простой перенастройки маршрута для отбора информации. При обработке информации используется встроенная реализация языка структурированных запросов (SQL), что позволяет обеспечить высокую производительность системы в целом, а также соответствует современным требованиям по работе с реляционными базами данных. Встроенный учет особенностей работы операционных систем семейства Windows позволяет обеспечить единообразный дружественный интерфейс пользователя, вне зависимости от используемой ОС [99,100].
Подсистема оперативного управления процессом ППВ в нештатных ситуациях разрабатывалась как относительно независимая система с возможностью автономной настройки и проверки путём искусственной имитации нарушений. С подсистемой контроля данная подсистема связывается через общую базу данных с помощью специально разработанного модуля, отбирающего показатели, используемые для диагностики.
Переход от подсистемы контроля к подсистеме оперативного управления осуществляется путём выбора в главном меню управления системой пункта "диагностика". Подсистема диагностики также защищена путём введения паролей, с помощью которых предусмотрены специальные уровни доступа к возможностям системы в зависимости от квалификации пользователя. При соответствии введённого пароля, пользователь получает доступ к основному меню.
В основном меню системы предусмотрены следующие пункты: "Настройка", "Контроль", "Диагностика", "Имитатор", "Выход" (рис.23). Более конкретная информация о каждом пункте содержится в строке подсказки. Пункт "Настройка" включает в себя следующие подпункты: "Настройка системы", "Редактор БЗ" и "Настройка симптомов". Настройка системы предусматривает конкретизацию и общий объём измеряемых параметров, то есть конфигурация системы в целом. В пункте "Настройка симптомов" производится выбор используемых конкретно для диагностики ДП. Пункт "Редактор БЗ" даёт возможность вводить новые знания, изменять и перенастраивать БЗ системы. Во всех трёх вышеописанных режимах ввод необходимой информации производится квалифицированным пользователем и осуществляется с помощью специальных таблиц. Фрагмент таблицы для редактирования базы данных, соответствующий подпункту «Настройка системы», представлен на рис.24. В режиме "Контроль" пользователь имеет возможность непосредственно на мнемосхеме процесса контролировать измеряемые технологические параметры и процесс сбора данных для диагностики (Рис.25). В соответствие с принятой стратегией диагностики, система осуществляет постоянный контроль автоматически измеряемых технологических параметров и, через гораздо большие промежутки времени, более подробный опрос всех остальных показателей, определяемых лабораторным путем. Для того чтобы просмотреть текущие значения измеряемых параметров, необходимо щёлкнуть клавишей мыши по соответствующей точке, отображающей вид измеряемого параметра, в виде цветного круга на мнемосхеме стадии. Специальная табличная форма, в которую занесены не только текущие значения контролируемых показателей, но и нормативные значения, в этом режиме позволяет не только просматривать значения технологических параметров, но и изменять текущее значение (рис. 25). Эта функция позволяет имитировать ситуацию на процессе в условиях отсутствия связи с объектом. При превышении показателями установленных пределов, их значения начинают подсвечиваться красным светом, сигнализируя о нарушении режима. Режим "Имитатор" позволяет вручную осуществлять имитацию опроса каналов, что даёт возможность проверять и отлаживать работу диагностической подсистемы, моделируя возможные нештатные ситуации не затрагивая сам процесс.
Похожие диссертации на Оперативное управление процессом получения пероксида водорода
