Диагностика состояний и управление технологической безопасностью непрерывных химико-технологических процессов на основе дискретных моделей

Современное химическое производство представляет собой сложный комплекс целенаправленно организованных технологических процессов, обеспечивающих выполнение трех основных стадий: подготовки сырья, собственно превращения и выделения целевых продуктов. Эта последовательность стадий воплощается в единую сложную химико-технологическую систему (ХТС) [1].

Данная работа посвящена рассмотрению вопросов диагностики состояний непрерывных химико-технологических процессов (ХТП) на основе дискретных моделей и построению системы управления технологической безопасностью этими объектами в реальных условиях эксплуатации.

В работе под технологической безопасностью понимается свойство ХТС выполнять свои функции без нанесения ущерба:

• окружающей среде;

• здоровью людей работающих в сфере производства;

• оборудованию и системе управления (СУ);

• вызывать какие — либо нарушения регламента ведения ХТП по технологическим причинам, способные повлечь за собой вышеназванные составляющие ущерба.

Технологическая безопасность интерпретируется функциональным свойством соответствующих человеко-машинных систем, ч общем случае включающим в себя, как объект управления, источники опасностей (это непосредственно технологический процесс, технологическое оборудование, СУ) и потенциальные жертвы его вредных энергетических и материальных выбросов (обычно людей и окружающую их среду). Множество опасностей порождает множество мероприятий для их нейтрализации.

Понятие технологической безопасности является сложным понятием, качественная и количественная оценка которого формируется анализом отношений множества опасностей и множества мероприятий, нейтрализующих эти опасности. Множество источников опасностей и множество защитных мероприятий, нейтрализующих эти опасности, характеризует степень защищенности и формирует оценку безопасности химической технологии.

Продолжая описание понятия безопасности, можно отметить, что как производное от этого понятия возникает понятие риска, которое характеризует возможные последствия от возникновения той или иной внештатной ситуации.

В большинстве своем, в современной литературе осуществляются попытки описать безопасность на основе обобщенных функциональных технико-экономических зависимостей. Чаще всего это риск — показатели, которые опираются на вероятностные свойства системы, построенные на основе показателей безотказной работы технологических систем.

Вместе с тем, наиболее общее и законченное представление функции заключается в рассмотрении ее как соответствия. В данном случае, областью отправления соответствия являются множество источников опасностей и множества защитных мероприятий. Областью прибытия является оценка безопасности промышленного объекта. Свойства соответствия существенно влияют на возможные варианты в построении оценок безопасности промышленных объектов.

В исследовании технологической безопасности определяющую роль играют множества опасностей. Вместе с тем, мероприятия по обеспечению технологической безопасности как множества (их можно также называть управляющими воздействиями) обладают некоторыми отличительными особенностями. С одной стороны, они формируются в прямой зависимости от конкретных опасностей, с другой стороны, отдельные мероприятия по обеспечению технологической безопасности вносят свой вклад в обеспечение безопасности и от других опасностей (обеспечивают безопасность с меньшим эффектом для данной опасности), и тем самым влияют на технологическую безопасность в целом всего ХТП.

Работа любого химического производства имеет два наиболее важных аспекта своей деятельности, связанных с технологической безопасностью его функционирования.

Первая составляющая — влияние загрязнений на окружающую природу, так называемая экологическая сторона его взаимодействия с внешним окружением.

Вторая составляющая — влияние на жизнь и здоровье людей, работающих в сфере химического производства, на состояние оборудования и систем управлениявнутренняя сторона его деятельности.

Первая составляющая является в большей степени следствием выбранного способа производства на этапах научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок и выявляется на начальных этапах ввода в эксплуатацию химических технологий.

В дальнейшем недостатки научно-исследовательских и конструкторских разработок в какой-то степени исправляются уже при проведении различных профилактических работ, учитываются в планах модернизации оборудования.

Вторая составляющая постоянно присутствует на всем периоде эксплуатации технологических процессов и соответственно имеет наибольший вес в проблеме организации безопасной работы химических технологий.

На рис. В1 показано, как в общих чертах осуществляется взаимодействие государственной политики и различных механизмов управления технологической безопасностью химико-технологического производства в общегосударственном масштабе. При этом в основном показан механизм регулирования и управления технологической безопасностью с точки зрения обеспечения экологической безопасности работы химического предприятия.

Обобщенная структура интегрированной системы управления технологической безопасностью химических производств представлена на рис. В2.

Здесь показана взаимосвязь информации внешнего окружения и информации о технологических процессах для целей проведения диагностики состояний химико-технологических систем и управления технологической безопасностью их функционирования.

Актуальность проблемы. Важной проблемой современных химических производств является обеспечение безопасности производственных процессов, которая в настоящей работе решается путем создания систем технологической безопасности.

Современные системы безопасности химических производств являются сложными иерархическими человеко-машинными системами, которые состоят из информационной подсистемы диагностики состояний и оценки риска химико-технологических процессов (ХТП) и систем (ХТС), и организационно-технологической подсистемы управления технологической безопасностью с лицом, принимающим решение.

Иерархичность систем управления технологической безопасностью химических производств является следствием сложности выполнения диагностических процедур, которые заключаются в проведении анализа состояний технологического процесса, оборудования и систем управления в случае возникновения внештатных ситуаций.

Политика.

Цель.

Гос. деятельность.

Законодательная деятельность.

Государственные программы.

Государственные природоохранные проекты и нормативные документы организационно-методическиеохрана и рациональное использование вод защита атмосферыохрана и рациональ ное использование почв.

— охрана флоры и фауны.

— охрана ландшафтовохрана и рациональное использование недр

Проекты новых технологий.

Требования к средствам контроля и измерений.

Требования к аппаратам и сооружениям.

Химическое производство.

Регулирование качества среды к 1.

Оценка Оценка прогнозируемого физического состояния состояния.

Прогноз состояния.

Мониторинг окружающей среды.

АтмоОкеан Поверх КриоБиота сфера ность сфера суши реки, озера).

Природные среды.

Факторы воздействияхимическиефизическиебиологические.

Рис.В1. Обобщенная структура интегрированной системы диагностики состояний и управления технологической безопасностью химических производств (внешняя составляющая).

Химическое производство.

Внешняя среда.

Рис. В2. Обобщенная структура интегрированной системы диагностики состояний и управления технологической безопасностью химических производств (внутренняя составляющая).

Решение проблемы управления технологической безопасностью химических производств находится в стадии развития. При этом необходимо решить целый ряд теоретических и практических задач, не свойственных другим организационно-технологическим структурам химических предприятий.

Методы кибернетики и методология системного анализа химических производств, разработанные академиком Кафаровым и учениками его школы, позволяют предложить теоретические основы создания систем управления технологической безопасностью химических производств.

Для эффективного функционирования систем управления технологической безопасностью необходимо разработать стратегию, математические модели, методы и алгоритмы диагностики состояний, поиска неисправностей и обеспечения безопасной работы ХТП и ХТС в различных производственно-технологических ситуациях.

Реализация указанных направлений исследований обеспечит повышенную живучесть химических производств в современных условиях старения основного парка технологического оборудования и действия большого числа различного рода возмущающих воздействий статистической и нестатистической природы.

Существенных сдвигов в формах и методах управления технологической безопасностью химических производств можно достигнуть, заменив существующие информационные управляющие системы на новые, опираясь при этом на использование прогрессивных информационных технологий, новейших достижений в области системного анализа и математического моделирования, с учетом характерных особенностей ХТС как объектов диагностики и управления технологической безопасностью.

В этой связи создание безопасных химических производств, а также разработка новых методов диагностики состояний технологических процессов, алгоритмов поиска диагностических решений для систем управления технологической безопасностью в условиях неопределенности исходной информации является актуальной проблемой.

Диссертационная работа проводилась в соответствии с государственной научно-технической программой «Безопасность населения и народно-хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф», раздел 3: «Безопасность функционирования народно-хозяйственных объектов и транспортных средств» (Пост. СМ СССР от 12.07.90 N 1111р).

Цель работы и задачи исследования. Целью данной работы является развитие теоретических и методологических основ создания безопасных химических производств, разработка стратегии, математических моделей, методов и алгоритмов диагностики состояний и управления технологической безопасностью химико-технологических систем на основе дискретных моделей.

В соответствии с изложенной целью были сформулированы и решены следующие задачи:

— развития общих положений и методологических основ построения системы диагностики состояний и управления технологической безопасностью непрерывных химико-технологических процессов на основе идей и методов дискретной математики;

— разработки теоретических принципов и стратегии управления иерархическими многоуровневыми системами управления технологической безопасностью в условиях неопределенности исходной информации;

— обоснования методологических и теоретических принципов создания системы диагностики состояний и управления технологической безопасностью непрерывных химико-технологических процессов на основе дискретных моделей;

— создания теоретических основ, разработки математических моделей, методов и алгоритмов решения задач моделирования состояний непрерывных ХТП на основе дискретных моделей в условиях статистической и нестатистической природы функционирования технологических процессов;

— развития теоретических основ, разработки методов и алгоритмов управления технологической безопасностью на основе дискретных математических моделей в условиях нечеткой неопределенности процессов принятия решений;

— разработки и экспериментальной проверки методики построения дискретных диагностических моделей и систем управления технологической безопасностью ХТП с учетом неопределенности исходной информации;

— разработки методики проектирования программного обеспечения для построения дискретных моделей и систем управления технологической безопасностью данного класса ХТП на основе объектно-ориентированного анализа;

— разработки алгоритмического и программного обеспечения системы диагностики состояний и принятия решений по управлению технологической безопасностью для непрерывных химико-технологических процессов.

Таким образом, в работе решаются задачи разработки методов и программных средств диагностики состояний технологических процессов на основе дискретных моделей и системы управления технологической безопасностью для оперативной помощи обслуживающему персоналу в обеспечении безаварийной эксплуатации химических производств, в обосновании и экспериментальной проверке в условиях действующего производства их информационного, математического, программного и технического обеспечения.

Научная проблема состоит в разработке теоретических и методологических принципов построения систем диагностики и управления на основе дискретных моделей для непрерывных химических производств, в обосновании и экспериментальной проверке в условиях действующего производства их информационного, математического и программного обеспечения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— развиты общие положения и методологические основы построения системы диагностики состояний и управления технологической безопасностью непрерывными химико-технологическими процессами. Классифицированы возмущающие и управляющие воздействия и задачи, решаемые системой диагностики состояний и управления технологической безопасностью ХТП;

— предложены и обоснованы основные методологические и теоретические принципы создания системы диагностики состояний и управления технологической безопасностью непрерывных ХТП и разработана стратегия управления иерархическими многоуровневыми системами управления технологической безопасностью в условиях неопределенности исходной информации. Показана целесообразность создания системы технической диагностики, построенной на основе дискретных моделей;

— обоснована возможность построения дискретных моделей для типовых непрерывных химико-технологических процессов и предложены теоретические основы разработки моделей, методов и алгоритмов решения задач моделирования состояний непрерывных ХТП в условиях неопределенности функционирования технологических процессов статистической и нестатистической природы;

— разработан метод разделения состояний для непрерывных химико-технологических процессов, который позволяет строить дискретные математические модели для линейных и линеаризованных объектов управления для статических и квазистатических режимов работы, и разработана методика применения теории нечетких множеств для оценки состояний на их основе в случае наличия неопределенности исходной информации;

— предложены теоретические основы разработки методов и алгоритмов управления технологической безопасностью в условиях нечеткой неопределенности процессов принятия решений и разработана система диагностики состояний и принятия решений по управлению типовыми непрерывными технологическими процессами на основе теории конечных автоматов.

Обоснованность научных результатов. Достоверность и новизна основных научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена с помощью методов системного анализа.

В работе использовались и развиты различные разделы системного анализа, теории исследования операций и искусственного интеллекта, современной теории управления, методов математического моделирования и химической кибернетики.

При обосновании возможности построения дискретных автоматных моделей для непрерывных ХТП и для разработки и применения метода разделения состояний был применен математический аппарат решений обыкновенных дифференциальных уравнений и дифференциальных уравнений в частных производных, теория конечных автоматов.

Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления «Обеспечение безопасности природно-промышленных систем» и предполагает комплексный подход к развитию теории технической диагностики и управления технологической безопасностью применительно к химическим производствам.

Научные результаты получили практическое подтверждение в ходе экспериментальных исследований на действующих химических производствах.

Практическая ценность и реализация работы в промышленности. Проведенные в работе теоретические исследования, предложенные принципы и стратегия явились методологической основой повышения эффективности функционирования системы управления безопасностью широкого класса непрерывных химико-технологических процессов в условиях неопределенности исходной информации.

В работе проведена разработка и экспериментальная проверка методики построения дискретных диагностических моделей управления технологической безопасностью ХТП, построена методика проектирования программного обеспечения для создания моделей данного класса на основе объектно-ориентированного анализа.

Разработано программно-алгоритмическое обеспечение системы проектирования систем диагностики и управления технологической безопасностью химико-технологических процессов, функционирующих в условиях нечеткой неопределенности, позволяющее решать широкий класс задач диагностики состояний технологических процессов, основная цель которого заключается в создании типового математического и программного обеспечения систем диагностики и принятия решений, входящих в состав АСУ ТП химического производства, что позволяет повысить их эксплуатационную безопасность, сокращает число незапланированных остановов и уменьшает время поиска неисправностей ХТП.

Решены задачи построения баз данных и библиографической информации, автоматизированного построения программных модулей для исследования моделей химико-технологических процессов, необходимых для построения дискретных моделей, а также программных модулей, реализующих механизмы определения состояний ХТП, наличие событий, состоявшихся в системе, и различные механизмы принятия решений.

Учет норм экологической безопасности при проектировании систем управления позволяет уменьшить количество загрязнений, выделяемое технологическим процессом в окружающую среду.

Техническое обеспечение систем диагностики на основе дискретных моделей включает персональную ЭВМ типа IBM PC и стандартные средства автоматизации. Персональная ЭВМ устанавливается в центральном пункте управления химического производства и используется обслуживающим персоналом для обнаружения и прогнозирования технологических, механических отказов и отказов систем управления, установления предаварийных состояний, определения управляющих воздействий для вывода процесса из предаварийных состояний и составления гибких графиков ремонтов.

Полученные в работе теоретические и практические результаты использованы при разработке систем диагностики ХТП на Новомосковском ПО «АЗОТ». Разработанные программные модули вошли в пакеты прикладных программ (ППП), которые включены в Государственный фонд алгоритмов и программ (ГосФАП, г. Тверь, НПО «Центрпрограммсистем»).

Методические и теоретические результаты работы использованы в учебных курсах в Кольском филиале Петрозаводского университета, Тверском государственном техническом университете, Санкт-Петербурском горном институте (Техническом университете, вечерний факультет г. Кировска) и в Новомосковском институте РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Основные положения, выносимые на защиту, перечислены в разделе основных результатов диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих всесоюзных и международных конференциях: «Молодые исследователи и конструкторы химического машиностроения» (Дзержинск, 1977), «Математическое моделирование СХТС» (Таллин, 1982), «АСУ в химической промышленности» (Новомосковск, 1982), «Программное обеспечение АСУ» (Калинин, 1982), «Программное обеспечение АСУ» (Калинин, 1983), «АСУ в химической промышленности» (Новомосковск, 1984), Третье Всесоюзное совещание по проблеме «АБСОРБЦИЯ ГАЗОВ» (Москва, 1987), Всесоюзная конференция «АБСОРБЦИЯ 87» (Таллин, 1987), Третья Всесоюзная научно-техническая конференция «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (Москва, 1989), 4-я Международная школа «Прикладные проблемы управления макросистемами» (Алма-Ата, 1992), Международная конференция «Математические методы в химии и химической технологии» (Тверь, 1995), Международная конференция «Математические методы в химии и химической технологии» (Тула, 1996), Международная конференция «Математические методы в химии и химической технологии» (Новомосковск, 1997), Международная конференция «Математические методы в химии и химической технологии» (Москва, 1999), Научно-техническая конференция «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций» (С Петербург, 1999), Международная научно-практическая конференция «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (г. Новочеркасск, 2000).

Публикации. Результаты исследований изложены в 61 печатной работе, в том числе в одной коллективной монографии. Основные теоретические и практические результаты отражены в сборниках научных трудов РАН и отраслевых изданиях.

Структура и объем работы. Структура диссертации отражает последовательность этапов исследований проблемы и состоит из введения, семи глав и заключения, изложенных на 337 страницах машинописного текста с 47 иллюстрациями и 18 таблицами, содержит список литературы из 259 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Развиты общие положения и методологические основы организации системы диагностики состояний и управления технологической безопасностью непрерывных химико-технологических процессов.

2. Предложены основные теоретические принципы и разработана стратегия управления иерархическими многоуровневыми системами обеспечения технологической безопасности в условиях неопределенности исходной информации.

3. Обоснованы методологические и теоретические принципы создания системы диагностики состояний и управления технологической безопасностью непрерывных химико-технологических процессов на основе конечно-автоматных моделей.

4. Поставлена задача построения дискретных математических моделей непрерывных ХТС и обоснована целесообразность применения данного класса моделей для решения задач диагностики состояний ХТП и в системах управления режимами работы технологических процессов.

5. Теоретически обоснована возможность построения дискретных моделей на основе комбинаторного метода включения — исключения для класса химико-технологических объектов, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями и дифференциальными уравнениями в частных производных. Показано, что для данных объектов управления возможно построение бесконечного множества моделей рассматриваемого класса.

6. Разработан метод разделения состояний, позволяющий дискретизировать технологические режимы работы непрерывных ХТП, для процессов, описываемых линейными или линеаризованными системами уравнений. Данный метод может быть положен в основу построения дискретных автоматных моделей достаточно широкого класса непрерывных ХТП.

7. Предложены теоретические основы разработки моделей, методов и алгоритмов решения задач диагностики состояний непрерывных ХТП на основе дискретных моделей с применением теории нечетких множеств в условиях неопределенности статистической и нестатистической природы.

8. На основе применения теории конечных автоматов разработана структура системы управления для непрерывных технологических процессов.

9. Разработана организация алгоритмического и программного обеспечения диагностики состояний и принятия решений в системах управления технологической безопасностью непрерывных ХТП на основе дискретных автоматных моделей.

10. Разработана объектно-ориентированная методика проектирования дискретных автоматных моделей и систем управления непрерывными технологическими процессами на основе диагностики их состояний.

Заключение

.

В данной главе рассмотрены общие принципы построения системы диагностики и управления на основе дискретных автоматных моделей для ХТС. Приведены примеры, в которых иллюстрируется методика разработки системы управления процессом ионной флотации и производством слабой азотной кислоты.

Таким образом, предложенные принципы построения и организации ГАСТД непрерывных химических производств позволяют:

— обеспечивать последовательный анализ состояния работоспособности технологического комплекса с локализацией источника неполадок до уровня первичной неисправности;

— использовать в своей структуре дискретные диагностические модели процесса для учета физической неопределенности информации и комбинирования результатов аналитического и экспертного анализа состояния агрегата;

— проводить анализ неисправных технологических подсистем с помощью ДПСГ в соответствии с предложенной методикой, позволяющей сократить требуемое время и ресурсы диагностических процедур за счет эффективного отсечения тупиковых гипотез и использовать свойство гибридности диагностических систем в условиях неопределенности выходов дерева отказов.