Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Задача АСУ ТП И ПАЗ - оценка и контроль показателя текущей опасности 11
1.1 Современная концепция безопасности 12
1.2. Обоснование задачи 14
1.3 Общие требования к показателю текущей опасности 17
ГЛАВА 2. Вычисление показателя текущей опасности тп ..28
2.1. Метод координат 30
2.2. Исследование свойств ПТО 32
ГЛАВА 3. Разработка информационной модели 63
3.1. Общие сведения об имитационном моделировании 65
3.2. Сведения о технологическом объекте 83
3.3. Описание работы объекта 89
3.4. Разработка имитационной модели парового котла 94
3.5. Оценка результатов моделирования 117
ГЛАВА 4. Оценка и контроль текущей опасности процесса в системах паз 126
4.1. Выбор структуры ПТК 127
4.2. Разработка алгоритмического обеспечения 140
4.3. Практическая реализация задачи оценки ПТО 144
4.4. Рекомендации по разработке драйверов или других способов сопряжения различных SCADA-систем с разработанным 149
4.5. Выводы 152
Заключение 154
Словарь 156
Благодарности 158
Список использованных источников 159
Приложение 1 173
- Современная концепция безопасности
- Метод координат
- Общие сведения об имитационном моделировании
- Выбор структуры ПТК
Введение к работе
Актуальность работы. Оценка опасностей - одна из приоритетных задач управления промышленной безопасностью, а также задача разработки и внедрения современных методов прогнозирования опасности, анализа потенциальных источников предаварийных ситуаций.
Развитие цифровой вычислительной техники значительно расширило сферы её применения, в том числе и для нужд промышленности. В автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП) и системах проти-воаварийной автоматической защиты (ПАЗ) стало возможным решение сложных задач расчета, анализа и прогнозирования аварийных ситуаций, моделирование технологических процессов и получение многовариантных решений. Следует отметить, что хотя эти задачи и относятся к классу задач систем управления [10], тем не менее предлагаемое на рынке программное обеспечение АСУ ТП не решает в полной мере задачи обеспечения безопасности. Число элементов и параметров технологической установки, способных в той или иной мере повлиять на возникновение и развитие аварийной ситуации, в зависимости от сложности процесса может достигать десятков и сотен. В сложных системах отказы отдельных элементов не всегда приводят к отказу всей системы, кроме того, у сложных систем есть целый спектр состояний - динамическое равновесие, нарушение равновесия, адаптация к неблагоприятным ситуациям, опасные и критические ситуации и, наконец, аварии [105]. В связи с этим анализ риска подобных технологических систем — это достаточно сложная задача, требующая знаний технологии, особенностей элементов системы и взаимосвязи их между собой.
В настоящее время задача определения рисков технологического процесса должным образом не решается и, в лучшем случае, подменяется па этапе проектирования качественным анализом надежности системы и возможных последствий [123, 136-138], Разработка, адаптация к условиям различных отраслей промышленности и дальнейшее развитие методов количественной оценки опасности и анализа текущего риска при функционировании промышленных установок и объектов является в настоящее время актуальной проблемой [133].
Оснащение технологических процессов системами ПАЗ, предназначенными для обеспечения промышленной безопасности, является обязательным условием при проектировании, строительстве и реконструкции опасных промышленных объектов и установок [10,125]. Такие системы обеспечивают останов технологического процесса или перевод его в безопасное состояние, что позволяет избежать аварии, но приводит к серьезным последствиям и значительным потерям.
Снижение частоты останова процесса может быть достигнуто решением задачи оценки и анализа текущей опасности процесса в реальном времени, чтобы заблаговременно предупредить персонал и тем самым предотвратить развитие аварийной ситуации- Очевидно, что для учета влияния большого числа параметров процесса па степень опасности, а также их взаимосвязи в реальном масштабе времени, необходимы специальные методы и соответствующие технические и программные средства [134].
Цели работы и задачи исследования. Основная цель диссертационной работы состоит в формулировании показателя текущей опасности технологического процесса, в разработке алгоритмов его оценки в реальном масштабе времени и исследовании его свойств.
Для ее достижения в диссертационной работе решены следующие задачи:
введен количественный показатель текущей опасности (ПТО) технологического процесса, и получена формула для его расчета;
разработаны алгоритмы оценки ПТО для систем, работающих в реальном масштабе времени, с учетом текущих значений опасных технологических параметров;
исследованы свойства и характеристики ПТО;
разработано и исследовано соответствующее программное обеспечение для промышленных систем управления и систем ПАЗ в условиях, приближенных к конкретному технологическому процессу промышленного предприятия.
Методы исследования, В работе использованы методы математического и статистического анализа, нечеткой логики, имитационного моделирования с применением инструментальных средств автоматизации математических и инженерных вычислений MATLAB, интегрированной среды разработки Borland Delphi. Указанные программные средства позволили организовать совместную работу и доступ к общим данным на основе технологий ОРС (OLE for Process Control) и ODBC.
Научную новизну полученных в работе результатов определяют:
сформулированный автором ПТО как количественная мера текущей опасности технологического процесса и формулы для его расчета;
разработанные алгоритмы оценки ПТО для промышленных систем управления и систем ПАЗ;
структура и состав имитационной модели технического объекта или процесса.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Практически значимыми результатами работы являются:
имитационная модель парового котла избыточного давления;
разработанные автором способы и алгоритмы определения текущей опасности в виде численного значения;
методика разработки драйверов для организации обмена текущими данными о состоянии ТП посредством технологии ОРС в среде Microsoft Windows.
Созданный программный комплекс прошел апробацию и используется на промышленных производствах предприятия ООО "Томскиефтехим" г. Томска и в учебном процессе кафедры АиКС ТПУ, что подтверждается соответствующими актами, приведенными в приложении.
Ни защиту выносятся:
тезис о необходимости и актуальности формулирования количественного показателя текущей опасности техіюлогического процесса и математическая формулировка такого показателя;
алгоритмы расчета ПТО по текущим данным с использованием различных методов;
результаты исследования свойств и характеристик ПТО;
имитационная модель технологического процесса, используемая при решении задачи оценки ПТО;
способ и программная реализация задачи сопряжения программных средств имитационного моделирования системы и объекта управления на базе технологий ОРС, ODBC;
результаты практического применения разработанного алгоритмического и программного обеспечения для системы ПЛЗ вспомогательного котла завода "Метанол", г- Томск,
Апробация работы. Основной материал представлен в научных докладах, которые обсуждались на следующих конференциях и форумах:
Открытая окружная конференция молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (Сургут, 2003).
IV Всероссийская научно-практическая конференция «Современные средства и системы автоматизации» (Томск5 2003).
II молодежный научно-практический форум «Информационные технологии в XXI веке» (Днепропетровск, 2004).
VIII Всероссийская научно-практическая конференция «Научное творчество молодежи» (Томск, 2004).
Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2004),
IV Всероссийская научно-практическая конференция «Информационные
технологии в экономике, науке и образовании» (Бийск, 2004).
II и IV Всероссийские научно-практические конференции студентов «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2004),
Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», посвященная 400-летию города Томска (Томск, 2004).
Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2005).
V Всероссийская научно-практическая конференция трСовременпые средства
и системы автоматизации11 (Томск, 2005).
Работа поддержана грантом Томского политехнического университета на проведение молодыми учеными научных исследований в научно-педагогических коллективах подразделений ТПУ,
Результаты работы нашли отражение в отчетах по НИР на тему «Системы автоматической противоаварийнок защиты (ПАЗ) технологических процессов взрывоопасных производств ООО «Томскнефтехим», выполненной по договору 8-06/2005 в 2005-2006 гг. № гос. per. 01200603740:
Часть 1 - Системы ПАЗ. Обзор и анализ требований нормативной документации. Современное состояние и тенденции развития;
Часть 2 - Рекомендации по замене, модернизации и развитию систем ПАЗ на ООО «Томскнефтехим»;
Часть 3 - Оценка и контроль текущей опасности технологического процесса.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 144 наименований и двух приложений. Объем основного текста диссертации составляет 177 страниц машинописного текста, иллюстрированного 47 рисунками и 1 б таблицами.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дается обоснование актуальности работы в данном научном направлении, формулируются цель и задачи исследования, приводится краткое содержание работы по главам,
В первой главе дается описательная и математическая постановка задачи количественной оценки текущей опасности процесса в виде показателя (ПТО), Формулируются основные свойства и ограничения, которым должен удовлетворять ПТО? ставится новая задача системы ПАЗ - оценка и контроль показателя текущей опасности процесса.
Во второй главе приведена предложенная автором формула расчета ПТО для произвольного числа опасных параметров. Показатель вычисляется в безразмерной форме, в диапазоне 0-1 (0-100%) и использует значения опасных параметров тоже в безразмерной форме.
Автором предложена процедура нормирования параметров, участвующих в расчете ПТО.
Предложен способ учета степени влияния параметров на возможность возникновения аварийной ситуации путем их ранжирования. Показано, что определяемый таким образом ПТО, удовлетворяет требованиям, сформулированным в первой главе.
Проведены исследования основных свойств ПТО - чувствительности и помехоустойчивости, и приведены результаты расчетов для различных значений опасных параметров, находящихся в опасной зоне. Сделан вывод о возможности и целесообразности использования предложенного ПТО в промышленных системах безопасности.
В третьей главе приведено обоснование выбора имитационного моделирования как основного метода исследования для решения прикладной задачи, описанной в четвертой главе. Приведены основные сведения об объекте моделирования и его функционировании. Получены расчетные соотношения для разработки имитационной модели объекта с учетом энергетического и материального
балансов. Приведены результаты разработки имитационной модели объекта и результаты сравнительного анализа с реальным объектом.
Четвертая глава содержит результаты разработки ПО для расчета ПТО в условиях реально функционирующего технологического объекта и системы управления. Рассмотрены основные способы решения задачи и механизмы обеспечения открытости разрабатываемой системы. Сформулированы основные требования к программной реализации, определены назначение, особенности программного комплекса «ПТО» и технические требования, предъявляемые к ЭВМ применительно к конкретной прикладной задаче. В работе предложена структура ПТК для решения задачи оценки ПТО в реальном времени. Представлены рекомендации по разработке драйверов или других способов сопряжения различных SCADA систем с разработанным ПО. Описан программный комплекс «ПТО».
В заключении приведены основные результаты и выводы по диссертационной работе.
В приложении приведены акты внедрения результатов диссертационной работы и некоторые функциональные элементы имитационной модели, используемой в разработанном программном комплексе «ПТО»,
Современная концепция безопасности
Промышленная безопасность включает большое число проблем и отдельных вопросов, связанных с разработкой и обеспечением безопасной эксплуатации производственных объектов в различных отраслях науки, промышленности, сельского хозяйства, транспорта, сферы обслуживания, культуры и др. Существует большое количество нормативных документов, требующих соблюдения норм в области проектирования АСУ ТП. Тем не менее международные и российские нормативные документы не содержат интегрированного полного перечня функций задач, которые должна выполнять система безопасности. При рассмотрении функций систем управления и безопасности различаются следующие группы функций; - функции АСУТП; - функции управления ПАЗ; - функции предупреждения ПАЗ; - функции ПАЗ» снижающие последствия при нарушениях безопасности. В соответствии с рисунком 1.1 Л сформулированную задачу можно отнести к управляющим функциям системы безопасности. Для взрывоопасных технологических процессов предусматриваются системы противоаварийной аитоматической защиты (ПАЗ), предупреждающие возникновение аварийной ситуации при отклонении от предусмотренных регламентом предельно допустимых значений параметров процесса во всех режимах работы и обеспечивающие безопасную остановку или перевод процесса в безопасное состояние по заданной программе [10 п. 2Л0]. Системы противоаварийной автоматической защиты, как правило, включаются в общую систему управления технологическим процессом. Формирование сигналов для ее срабатывания должно базироваться на регламентированных предельно допустимых значениях параметров, определяемых свойствами обращающихся веществ и характером процесса. Любой останов и запуск производства - это серьезные и ответственные операции. Процедура останова, предназначенная для защиты процесса, сама по себе представляет значительную опасность, так как требует согласованного изменения состояния многих элементов технологического оборудования и зависит от безупречного выполнения вполне определенных последовательностей операций - как автоматических, так и согласованных действий технологического персонала. Таким образом, любой останов - чрезвычайное происшествие на производстве, связанное с серьезным риском и для людей, и для оборудования [92]. L2 Обоснование задачи Как уже было сказано, основной задачей систем ПАЗ является предупреждение аварийной ситуации во всех режимах работы и обеспечение безопасного останова или перевода процесса в безопасное состояние по заданной программе. Её выполнение требует решения в системе ПАЗ задачи анализа состояния процесса при изменении параметров в сторону критических значений в реальном масштабе времени. Однако до настоящего времени из-за отсутствия методов и алгоритмов такая задача не решалась.
В данной работе предлагается способ решения такой задачи путем косвенного измерения степени текущей опасности процесса. Для эффективной реализации алгоритмов противоаварийной защиты используются микропроцессорные средства, предоставляющие возможность реализации таких функций для систем ПАЗ, одновременно удовлетворяющих как действующим нормам и правилам в области промышленной безопасности, так и требованию экономической эффективности. Экономическая эффективность будет достигаться за счет существенного повышения экономических показателей работы установки ввиду отсутствия потерь от простоя, повторного пуска и вывода на режим и.т.д.
Метод координат
Необходимые предпосылки создания метода координат были подготовлены еще трудами древнегреческих математиков, в особенности Аполлония Пергского (ок, 260-170 до н.э). Однако систематическое развитие этот метод получил в первой половине XVII века в работах Рене Декарта и Пьера Ферма [83]. Рассмотрим суть метода применительно к решению поставленных в разделе 1.3 задач. Как уже было показано, после измерения наблюдаемых характеристик ТП- (/),... (0, мы имеем вектор X, характеризующий этотТП. Если числам х19х2,...хп придать смысл значений опасных параметров, то X становится вектором, определяющим координату некоторой точки X в линейном или векторном пространстве, а р(х,у) определяет расстояние между точками X и Y в этом пространстве или метрику пространства. Такое векторное пространство называется действительным n-мерным арифметическим пространством и обозначается R\ В этом случае размерность пространства будет зависеть от числа опасных параметров, участвующих в формировании пто. При описании состояния технологического процесса (объекта) необходимо количественно указать (получить) значение всех его параметров, при этом для решения поставленной задачи необходимо, чтобы эти значения были указаны в соответствии с масштабом шкалы (рисунок 1,1) в диапазоне 0-1 (0-100%), В этом случае задачу определения показателя текущей опасности технологического процесса (объекта) можно решить определением расстояния между началом координат в n-мерном пространстве и точкой, описывающей состояние технологического процесса (объекта). Если в обычном трехмерном пространстве выбрана система координат Oit_t то каждая точка А этого пространства отождествлялась с тройкой чисел - координатами вектора ОА. Аналогично мы можем считать, что набор из п чисел является точкой n-мерного пространства, и рассматривать этот набор как координаты радиус-вектора этой точки. Такое п -мерное пространство, в отличие от векторного, называется аффинным п -мерным пространством. За начало координат принимается точка (y u,...,Uj_ ga едНИцЧныс векторы на осях координат в этом случае принимаются радиус-векторы точек 010,-.,0),(0,1,-,0),...(0,0,...,1) Таким образом, рассматривая всю совокупность параметров текущего состояния ТП, можно говорить о положении этого состояния внутри n-мерного объекта, характеризующегося некоторым вектором от начала координат к границам объекта. Расстояние между концом вектора и началом координат и будет пред- ставлять собой показатель текущей опасности в диапазоне 0-1 (0-100%), при условии, что шкалы всех показателей также приведены к такой шкале, В настоящей работе в качестве объектов исследования рассматриваются технологические процессы, представляющие собой сложные объекты с динамическими характеристиками и активно взаимодействующие с внешней средой. Также рассматривается существенная задача определения и задания степени важности тех или иных параметров объекта, т.е. их способности влиять на основной вычисляемый показатель, в нашем случае ПТО.
Общие сведения об имитационном моделировании
Имитационное моделирование (ИМ) является одним из наиболее эффективных методов исследования больших систем, а часто и единственным практически доступным методом получения информации о поведении системы, особенно на этапе ее проектирования [56, 69,73, 81, 82,]. Сфера применения ИМ очень обширна, большое количество областей применения можно найти в [69,71]. При использовании ИМ моделирующий алгоритм приближенно воспроизводит сам процесс-оригинал, а именно его функционирование во времени. С сохранением логической структуры и последовательности протекания во времени имитируются элементарные явления, составляющие процесс. Такой тип моделирования близок к натурному эксперименту. Моделирующий алгоритм позволяет по исходным данным, содержащим сведения о начальном состоянии процесса (входной информации) и его параметрах, получить сведения о состояниях процесса в произвольные моменты времени. Информация о состояниях процесса, получаемая в результате работы моделирующего алгоритма, должным образом обрабатывается и используется для решения практических задач. В связи с исследованием процессов сложных систем методом моделирования на ЭВМ возникают следующие основные проблемы: - построение формализованной схемы процесса, доступной с точки зрения простоты для моделирования на современных ЭВМ и обеспечивающей необходимую точность решения практических задач; - построение компактных и удобных для использования моделирующих алгоритмов и их программирование; - формулировка и разработка методики исследования систем с использованием результатов моделирования. Основным преимуществом имитационных моделей по сравнению с аналитическими моделями, является возможность решения задач исключительной сложности» Такие особенности рассматриваемой сложной системы как; - наличие в одной и той же системе элементов непрерывного и дискретного действия; - нелинейные соотношения любого характера, описывающие связи между элементами системы; - воздействие многочисленных случайных факторов сложной природы. Имитационные модели применимы к исследованию более сложных процессов, чем физические и аналоговые. Кроме того, в этом случае нет необходимости создавать специальную аппаратуру для каждой новой задачи. Наряду с отмеченными преимуществами, ИМ, как и любой численный метод, обладает тем существенным недостатком, при котором полученное решение всегда носит частный характер, отвечая фиксированным значениям параметров системы, входной информации и начальных условий. Несмотря па этот весьма серьезный недостаток ИМ является в настоящее время наиболее эффективным методом исследования сложных систем, а подчас и единственным практически доступным средством получения интересующей информации о поведении системы, особенно на стадии ее проектирования или модернизации [39] . Очевидно, что действительная польза от моделирования может быть получена только при соблюдении двух условий [55]: - модель обеспечивает корректное (или адекватное) отображение свойств оригинала, существенных с точки зрения исследуемой операции; - модель позволяет устранить проблемы, присущие проведению измерений на реальных объектах. В зависимости от способа реализации все модели можно разделить на два больших класса; физические и математические. Физические модели предполагают, как правило, реальное воплощение тех физических свойств оригинала, которые интересуют заказчика (макет самолета, макет здания или комплекса зданий)- В связи с этим физическое моделирование называют также макетированием. Математическая модель представляет собой формализованное описание системы (или операции) с помощью некоторого абстрактного языка, например, в виде совокупности математических соотношений или схемы алгоритма. По большому счету, любое математическое выражение, в котором фигурируют физические величины, можно рассматривать как математическую модель того или иного процесса, или явления [55,62,63,68]. Рассмотрим основные принципы моделирований, в сжатой форме отражающие тот богатый опыт, который накоплен к настоящему времени в области разработки и использования математических моделей [55,62,70], 1, Принцип информационной достаточности. При полном отсутствии ин формации об исследуемой системе построение ее модели невозможно. При нали чии полной информации о системе се моделирование лишено смысла. Сущест вует некоторый критический уровень априорных сведений о системе (уровень информационной достаточности), при достижении которого может быть по строена ее адекватная модель, 2. Принцип осуществимости. Создаваемая модель должна обеспечивать достижение поставленной цели исследования с вероятностью, существенно отли чающейся от нуля и за конечное время. Обычно задают некоторое пороговое значение Ро- вероятности достижения цели моделирования, P(t), а также прием лемую границу to — времени достижения этой цели. Модель считают осуществи мой, если может быть выполнено условие P(t) Po.
Выбор структуры ПТК
В этом разделе рассматриваются вопросы практического решения задачи измерения ПТО реального объекта на примере создания пилотного проекта. Рассматриваемый объект представляет собой систему, предназначенную для управления и обеспечения защиты парового котла в режимах пуска, останова и нормальной работы. Центральной частью этой системы является аппаратно-программный комплекс «DeltaV» рисунок 3.1. По условиям работы объекта и его особенностям он относится к взрывоопасным производствам, следовательно, любое вовлечение его в процесс исследования не допустимо. Поэтому автономная наладка ПО должна производиться с использованием имитационной модели объекта. Это позволит получить приемлемый результат за сравнительно небольшое время, по отношению к другим способам моделирования. Как уже было отмечено в разделе 1-3 данной работы, функциональные задачи АСУ ТП и ПАЗ можно решать различными способами. Рассматриваемую задачу предлагается реализовать в рабочей станции оператора, используя возможности SCADA-систем и разрабатываемого ПО.
Ниже перечислены основные возможности и средства, присущие всем SCADA -системам и различающиеся только техническими особенностями реали-# зации: - автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системы автоматизации без реального программирования; - средства сбора первичной информации от устройств нижнего уровня; - средства управления и регистрации сигналов об аварийных ситуациях; - средства хранения информации с возможностью ее постобработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным СУБД); - средства обработки первичной информации; - средства визуализации информации в виде графиков, гистограмм и т.п.; - возможность работы прикладной системы с наборами параметров, рассмат риваемых как "единое целое" ("recipe" или "установки"). Основу большинства SCADA-систем составляют несколько программных компонентов (СУБД реального времени, обработка ввода-вывода, модули хранения предыстории событий, аварийных ситуаций) [85, 94]. Для качественного и всестороннего использования и внедрения задачи измерения ПТО необходимо выполнить определенные виды работ на стадиях проектирования, автономной и комплексной нападки, описанных в разделе 1.3: При разработке рекомендаций для проектирования и разработки ПО, решающего задачу оценки ПТО, необходимо учесть следующее: - ПО должно предусматривать возможность интеграции с различными SCADA пакетами, СУБД и другими приложениями; - перечень параметров, оказывающих влияние па значение ПТО, и их весовые коэффициенты могут быть изменены в процессе эксплуатации. Таким образом, внедрение задачи расчета ПТО предполагает решение совокупности задач на стадиях проектирования, автономной и комплексной наладки ПО. Далее рассматриваются отдельные аспекты реализации сформулированной задачи, включая: - механизмы обеспечения открытости в разработанном способе интеграции различных систем (по функциональности, данным и коммуникациям); - разработку алгоритмического обеспечения; - рекомендации по разработке драйверов для решения задачи обмена данными.
