Введение к работе
Актуальность темы. Основная роль при комплексной автоматизации производств отводится автоматизированным системам управления технологическими процессами (АСУТП), являющимися базовым уровнем в иерархической структуре АСУ. Несмотря на постоянное развитие технического обеспечения, одним из «слабых» мест в структуре АСУТП был и остается оперативный персонал, являющийся неотъемлемой ее частью. По мнению исследователей, доля ошибок в принятии управляющих решений оперативным персоналом из-за низкой его квалификации может достигать 70 % от общих причин аварийных ситуаций. Особую значимость квалификация операторов приобретает в условиях взрыво- и пожароопасных производств, когда цена ошибки многократно возрастает.
Не вызывает сомнения необходимость совершенствования квалификации операторов путем проведения регулярных тренировок по отработке навыков поведения при нештатных ситуациях, а также в штатных ситуациях, требующих глубоких знаний и умений. Общепризнанно, что одним из эффективных подходов к обучению и повышению квалификации операторов является применение компьютерных тренажеров (КТ). Обязательное применение КТ зафиксировано Госгортехнадзором РФ в нормативной документации по безопасной эксплуатации оборудования.
Работы над созданием и внедрением КТ для химических производств ведутся с начала 80-х годов XX века как отечественными, так и зарубежными специалистами. Оценивая глубину проблемы, следует отметить, что существует значительное отставание России в этом вопросе, в то время как зарубежные успехи свидетельствуют об экономической эффективности решений в этой области. Объем мирового рынка КТ в 2008 году составил около 400 млн. долл. (лидерами тренажеростроения являются фирмы Honeywell, Invensys, Yokogawa и др.). Российский рынок оценивается ежегодным объемом продаж на уровне 3 млн. долл. Обеспеченность российских предприятий КТ составляет около 15 %. Наработки в этой области зарубежных производителей носят закрытый характер, представляя собой объект интеллектуальной собственности.
Основным звеном КТ является математическая модель процесса, имитирующая во времени протекание физико-химических явлений в объекте с учетом воздействия на него участников тренинга с целью приобретения практических навыков по эффективному управлению процессом в различных режимах. Сложность разработки имитационных моделей для КТ заключается в отсутствии единого подхода к их синтезу, учитывающего ряд специфических особенностей, которые обусловлены:
масштабностью и много связностью объектов моделирования;
наличием большого количества управляющих воздействий, включая ручную и автоматическую запорно-регулирующую арматуру, основные и вспомогательные технологические потоки;
широким диапазоном изменения переменных процесса, характерным для воспроизведения пусковых и остановочных режимов работы объекта, необходимостью моделирования нештатных и аварийных ситуаций;
необходимостью воспроизведения динамики поведения объекта, и, как следствие, получения устойчивого решения модели в реальном времени;
невозможностью оценки адекватности модели методами, основанными на использовании экспериментальных данных (ввиду их ограниченности).
Несмотря на многолетние научные изыскания, многие исследователи сходятся во мнении, что решение всего спектра задач в области промышленного тренажеростроения далеко от завершения.
Работа посвящена решению ряда проблем, связанных с разработкой адекватных имитационных моделей технологического процесса ректификации для КТ (на примере разделения этан-этиленовой фракции), которые являются особо актуальными для обеспечения производственной безопасности, улучшения экономической эффективности и стабильного развития предприятий.
Цель работы - разработка имитационной математической модели процесса ректификации этан-этиленовой фракции (ЭЭФ), воспроизводящей во времени поведение объекта в штатных и нештатных режимах, с адекватной реакцией на управляющие и возмущающие воздействия в процессе компьютерного тренинга.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Провести анализ задач управления процессом ректификации ЭЭФ и сформулировать принципы синтеза имитационной модели для компьютерного тренинга операторов (тренажерной модели);
Разработать:
алгоритм синтеза тренажерной модели процесса ректификации ЭЭФ;
формализованное математическое описание элементов, получаемых при декомпозиции объекта и осуществить их алгоритмизацию;
разработать критерий адекватности тренажерной модели и методику ее проверки;
инструментальные средства и программное обеспечение для реализации тренажерной модели.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теорий автоматического управления, обработки информации, математического моделирования, нечетких множеств, системного анализа, численных методов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
На основе результатов анализа задач управления процессом ректификации ЭЭФ определено место компьютерного тренажера в структуре АСУ как элемента, обеспечивающего совместимость и интеграцию АСУТП и АСУП, и сформулированы принципы синтеза тренажерной модели, учитывающие реальные условия эксплуатации технологического процесса.
Предложен алгоритм синтеза тренажерной модели, включающий структурную декомпозицию процесса на основе выделения и формализованного математического описания универсальных элементов, осуществляющих транспорт и преобразование информации.
Впервые синтезирована тренажерная модель процесса ректификации ЭЭФ, имитирующая во времени поведение объекта в штатных и нештатных режимах, с адекватной реакцией на управляющие и возмущающие воздействия в процессе компьютерного тренинга.
Предложен новый критерий адекватности тренажерной модели, основанный на качественном соответствии воспроизведения моделью описанных экспертами реальных тренинговых ситуаций.
Положения, выносимые на защиту:
принципы синтеза тренажерной модели, вытекающие из специфики компьютерного тренинга;
алгоритм синтеза тренажерной модели;
тренажерная модель процесса ректификации ЭЭФ;
критерий адекватности тренажерной модели на основе описанных экспертами тренинговых ситуаций;
компьютерный симулятор рабочего места оператора этиленовой колонны.
Практическая значимость работы определяется её направленностью на синтез моделей ТП для промышленных тренажеров для обучения и тренировки персонала нефтехимических предприятий. Практическую значимость работы составляют:
созданное алгоритмическое и программное обеспечение, реализующее разработанную тренажерную модель;
разработанное и внедренное на производстве программное обеспечение для симуляции рабочего места оператора технологического процесса ректификации ЭЭФ, основным звеном которого является синтезированная тренажерная модель;
разработанная методика проведения процедуры оценки адекватности тренажерной модели на основе экспертных знаний о поведении реального объекта;
разработанное программное обеспечение для автоматизации процедуры оценки адекватности модели в среде Matlab.
Внедрение результатов работы. Практическим результатом диссертационной работы является пакет документов и прикладных программ для симуляции рабочего места оператора, внедренный на производстве этилена ЭП-300 «Ангарского завода полимеров» ОАО «НК «Роснефть» для обучения оперативного персонала.
Математическое и программное обеспечение, разработанное в ходе диссертационного исследования, применяется в учебном процессе Ангарской государственной технической академии (АГТА) при подготовке специалистов по автоматизации и химической технологии.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники и связи» (Иркутск, 2008, 2009), Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006, Саратов, 2008, Саратов, 2010), Международном научно-методическом симпозиуме «Современные технологии многоуровневого образования» (Ростов-на-Дону 2008), ежегодных научно-технических конференциях «Современные технологии и научно-технический прогресс» (Ангарск, 2008, 2009, 2010), расширенном научно-техническом семинаре ОАО «Ангарский завод полимеров» (Ангарск, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 10 статей, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 3 тезиса доклада. Результаты работы вошли в заявку на участие в областном конкурсе в сфере науки и техники 2009 года, по результатам которого автор стал лауреатом.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертационной работы составляет 160 страниц, в том числе 43 рисунка, 8 таблиц. Библиографический список включает 103 наименования.
