Оптимальное управление аммиачной холодильной установкой с помощью системы идентификации эксплуатационных параметров и ее математическая модель

УДК 621.565.2.003.13:[681.51.012:004.8]

С.С. Путилин

ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АММИАЧНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ И ЕЕ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Существующие методы идентификации эксплуатационных параметров технологических установок позволяют разработать системы управления, обеспечивающие их безопасность. Проанализировав возможные состояния автоматизированной системы управления аммиачной холодильной установкой, были рассмотрены три обстоятельства, влияющие на ее функционирование совместно с системой противоаварийной защиты. Приведенная модель процесса функционирования системы управления аммиачной холодильной установкой и противоаварийной защиты определяет качество работы противоаварийной защиты по обеспечению безопасности. Предложенный метод идентификации эксплуатационных параметров аммиачной холодильной установки используется в работе автоматизированной системы управления аммиачной холодильной установкой и определяет критерии оптимальности параметров.

Модель, анализ, холодильная установка, идентификация эксплуатационных параметров

S.S. Putilin A MATHEMATICAL MODEL |FOR A AMMONIAC REFRIGERATING UNIT SECURITY CONSTRUCTION AND THE SYSTEM ANALYSIS APPLICATION FOR ITS OPTIMAL CONTROL

The developed methods for identification of operational parameters at technological installations allow development of control systems ensuring their safety. Analysis made for the automated control system of the ammonia refrigerating unit, including the emergency system shows three factors affecting its operation. The given model relates the functioning of the control system within the ammonia refrigerating unit and its emergency protection, and determines the quality of the emergency system operation. The proposed method of identification operational parameters at the ammonia refrigeration unit can be applied for the automated control system and defining criteria for optimum parameters.

Model, analysis, refrigerating machine, identification of operational parameters

Введение

Одним из направлений повышения эффективности и безопасности аммиачного холодильного оборудования является обеспечение необходимого уровня контроля параметров, автоматической защиты и управления.

Решение этого вопроса возможно на основе системного анализа технологического процесса и идентификации эксплуатационных и аварийных ситуаций с использованием новых компьютерных технологий и методов искусственного интеллекта.

Основная часть

Аммиачная холодильная установка является опасным промышленным объектом и обладает тем свойством, что при ее эксплуатации могут возникать внештатные эксплуатационные ситуации, способные привести к нежелательным последствиям: нанести вред производственному персоналу, окружающей среде; привести к серьезным экономическим потерям.

В настоящее время в РФ правовые и методические основы мероприятий по обеспечению безопасности функционирования АХУ излагаются в Федеральном законе от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ [1], а также в РД 09-241-98 [2]. В 2008 г. был принят стандарт ГОСТ Р МЭК 61508 [3] и его разработка для промышленных процессов стандарт МЭК 61511 [4], где излагается единый унифицированный

международный подход к обеспечению безопасности функционирования технологических процессов. В частности, в этих стандартах безопасность АХУ как технологический процесс рассматривается на протяжении всего его «жизненного цикла» от стадии проекта оборудования и системы автоматизации до его списания. При этом указываются интегральные показатели безопасности процесса; систематизируются возможные опасные последствия; вводятся понятия различных слоев защиты, обеспечивающих приемлемую безопасность автоматизированного технологического комплекса; устанавливаются основные показатели безопасности слоев защиты и их взаимосвязь; выявляется зависимость показателей безопасности с показателями надежности технических средств защиты.

Таким образом, при проектировании и расчёте показателей безопасности АХУ насущной необходимостью является использование унифицированных, общепринятых показателей безопасности, изложенных в международных стандартах [3, 4].

В настоящее время безопасное функционирование АХУ обеспечивается системой безопасности, включающей как разнообразные технические средства защиты, так и организационные мероприятия. Важной составляющей системы безопасности являются технические средства, входящие в состав АСУ ТП. Они защищают холодильный процесс от возможных опасных последствий, возникающих при инцидентах на холодильном оборудовании. При этом, как правило, возможными опасными последствиями являются потеря качества продукции и разрушение оборудования.

Под системой безопасности (СБ) будем понимать технические средства, структурированные в слои защиты и входящие либо в состав АСУ ТП, либо непосредственно сопряженные с ней. Одной из основных характеристик СБ и каждого его слоя защиты в соответствии с [3, 4] является коэффициент снижения риска (КСР), определяемый отношением частот возникновения опасных последствий в отсутствие СБ (слоя защиты) и при ее (его) наличии. Корректно спроектированная СБ должна обеспечить безопасное функционирование холодильного процесса, то есть система должна иметь такой КСР, который обеспечивает так называемый приемлемый риск (приемлемую частоту возникновения опасных последствий). Приемлемый риск определяется, в основном, исходя из требований ГОСТ Р МЭК 61508, МЭК 61511 и прогнозируемых технико-экономических показателей процесса, а так же иных отраслевых нормативных документов. В указанных стандартах каждому значению КСР ставится в соответствие определённое значение уровня полноты безопасности (УПБ или 81Ь), которое является основной характеристикой системы безопасности. В зависимости от частоты появления опасных последствий вводятся четыре уровня полноты безопасности: 81Ь1, ..., 81Ь4 [3, 4].

В настоящей работе будет поставлена и решена задача обеспечения АХУ слоем защиты, по безопасности соответствующим УПБ 81Ы, который повысит безопасность функционирования АХУ и обеспечит оптимальные эксплуатационные параметры АХУ. Безопасности АХУ совместно с разрабатываемой системой идентификации эксплуатационных параметров (СИЭП) и ПАЗ посвящена данная статья.

Как уже было сказано, одним из эффективных средств, обеспечивающих безопасное функционирование АХУ, является автоматизированная система безопасности, которая производит непрерывное контролирование ее работоспособности.

В соответствии с ГОСТ Р МЭК 61508 система безопасности АХУ структурно состоит из последовательных слоев защиты, влияющих на значение риска, и может быть представлена в следующем виде (рис. 1).

----------СБ-----------

--------------Уменьшение риска-----------------

------ обозначает генерацию опасных событии и их последствий*

Рис. 1. Слои защиты АХУ

Необходимо отметить, что каждый последующий слой защиты «включается в работу» при условии невыполнения функций защиты предыдущим слоем.

Слой I характеризует уменьшение риска за счёт разрабатываемой системы управления идентификации эксплуатационных параметров (СИЭП), являющейся одной из частей АСУ ТП. Сигнализация, осуществляемая СИЭП по выходу параметров из допустимых областей, и соответствующие рекомендации по действиям оператора являются сутью этого слоя защиты. Отметим, что главной функцией СИЭП является контроль и безопасное управление холодильным процессом. Поэтому СИЭП проектируется исходя из требований качества контроля и управления холодильным процессом с фиксированным показателем безопасности 81Ь1 по международной классификации.

Слой II осуществляет дальнейшее снижение риска от опасных последствий за счёт установки автоматических противоаварийных средств защиты (ПАЗ). Эти системы в силу специфики их функционирования позволяют существенно снизить риск. При этом конфигурация ПАЗа может меняться с целью повышения надежности и, как следствие, снижения риска до приемлемого уровня (приемлемого риска).

Слой III характеризуется работой системы отсекающих и предохранительных клапанов (СК), которые являются следующим после ПАЗ слоем защиты. Конфигурация СК предполагает, что эта система работает только на определённые группы последствий и имеет неизменяемые показатели безопасности.

Слой N характеризует иные слои защиты, не входящие в состав АСУ ТП АХУ.

АХУ во время эксплуатации может находиться в одном из следующих трех состояний: рабочее, опасное и состояние останова. Рабочим состоянием называется состояние АХУ, не включающее в себя останов или опасное состояние. Состояние, в котором АХУ находится в вынужденном простое из-за срабатывания ПАЗ, называется остановом. Если на АХУ произошёл инцидент, то такое состояние называется опасным. В случае, если у АХУ произошел отказ без попадания в опасное состояние, осуществляется ремонт оборудования АХУ.

ПАЗ может находиться в двух состояниях: работоспособном и неработоспособном. Частота «входных» запросов на ПАЗ характеризует интенсивность перехода АХУ из нормального состояния в опасное состояние. Обозначим данную частоту через ^ При неработоспособном состоянии ПАЗ не может перевести АХУ в останов при попадании АХУ в опасное состояние.

Примем в качестве частоту перехода ПАЗ из работоспособного состояния в состояние отказа. ПАЗ обладает средствами самодиагностики, которые позволяют автоматически выявить часть отказов сразу после их появления и вывести ПАЗ в ремонт, а АХУ - в состояние останова. Примем данные отказы равными а, соответственно, другая часть (1 — а) отказов может быть выявлена только в процессе периодических контрольных проверок. При этом величина а (0 < а < 1) является характеристикой системы самодиагностики ПАЗ.

Контрольные проверки для выявления (1 — а) отказов осуществляются операторами АХУ последовательно через фиксированные интервалы времени т = х + ъ с отключением ПАЗ из работы на время ъ, где х - время до начала проверки, ъ - продолжительность проверки. Таким образом, в течение времени ъ осуществляется проверка, позволяющая определить неработоспособное состояние ПАЗ, которое не было выявлено системой самодиагностики.

ПАЗ, находясь в одном из приведенных выше состояний, может генерировать ложные срабатывания, такие срабатывания могут происходить даже в состоянии отказа [1]. Обозначим через Ак1 и Ак2 - соответственно частоту ложных срабатываний при нахождении ПАЗ в состоянии работоспособности и отказа. Это связано с тем, что ПАЗ является компонентной системой, состоящей из трёх последовательно соединённых подсистем. Если одна из подсистем ПАЗ отказала, то две другие могут генерировать ложные срабатывания. Частоту ложных срабатываний примем равным соотношением

^ = 2 /3 Ак1.

Можно отметить следующие обстоятельства, влияющие на функционирование ПАЗ совместно с системой автоматизации АХУ:

I. Если самодиагностикой ПАЗ выявляется отказ, то АХУ переводится в состояние останова и осуществляется ремонт ПАЗ.

II. Если попаданию АХУ в опасное состояние предшествует не выявленный самодиагностикой отказ ПАЗ, то АХУ находится в критическом состоянии и в этом случае должны включиться в работу следующие после ПАЗ слои защиты.

III. Если состояние отказа ПАЗ выявилось проведением ручной проверки, то производится выведение ПАЗ из работы и ее ремонт, а АХУ переводится в состояние останова.

Основой для метода идентификации внештатных значений эксплуатационных параметров является интеллектуальная ситуационная модель (ИСМ) [2]. ИСМ использует в своей работе продукционную базу знаний, в которой содержится набор правил, иллюстрирующих знания экспертов об идентификации эксплуатационной ситуации (ЭС) во время эксплуатации АХУ.

При формировании правил используются следующие лингвистические переменные (ЛП), характеризующие пять состояний, в которых может находиться автоматизированная система (см. рис. 2):

— - работоспособное состояние АХУ и систем безопасности;

— 02 - возникновение при эксплуатации АХУ внештатной ЭС (работоспособное состояние АХУ; отказ ПАЗ, выявленный СИЭП);

— 03 - возникновение при эксплуатации АХУ внештатной ЭС, связанной с ожидаемым отказом (работоспособное состояние АХУ, ложные срабатывания ПАЗ в рабочем состоянии и отказ ПАЗ, выявленный самодиагностикой);

— 04 - возникновение при эксплуатации АХУ внештатной ЭС, связанной с появлением нарушения (АХУ в режиме попадания одного или нескольких технологических параметров в критическую область, из-за не выявленного отказа ПАЗ);

— 05 - возникновение при эксплуатации АХУ безусловной внештатной ЭС (АХУ в предава-рийном состоянии, из-за не выявленного отказа ПАЗ).

Математическая модель

Моделью процесса функционирования системы автоматизации АХУ и ПАЗ является марковский процесс пО), определенный для любого Т [0, Т] следующим выражением:

ПО) =

где к (О - целое число из множества {1,2,..., п), п = Т/т, определяемое из условия

к

Тогда ^к(1)= 2,(а(к),Л(к),1) - это однородный марковский процесс, определенный в интервале времени ^к-1, tk] = [(к-1)т,кт]. Данный процесс задается парой (а(к), Л(к)), где а(к)=(а1(к),..., а5(к)) -начальное распределение, Л(к'|=(а1/к'1) - матрица частоты переходов, Ау - частота перехода из состояния i в состояние j , i = 1, ..., 5, j = 1, ..., 5.

Матрица частоты переходов Л(к) для ПАЗ с уровнем самодиагностики а имеет следующий вид:

(

Л( *} =

+ + ^3 1 + а 0

0 —(й + 1*)) 1} 0 й

А 0 —т 0 0

т 0 0 —т 0

0 0 0 0 0

Л

где ц1 - интенсивность восстановления АХУ, попавшего в опасное состояние; ц2 - интенсивность восстановления ПАЗ, находящейся в состоянии ремонта.

Элементы матрицы Л(к) зависят от к, т.к. это отражает ухудшение надежностных свойств ПАЗ во времени.

Для любого 1,.,п начальное распределение а(к) удовлетворяет условию

а = .Р[Й-1

где Р - вероятность события.

В начальный момент времени t о =0 (при к=1) имеют место равенства:

а = а = 0, ] = 2,...,5,

т.е. система в начальный момент времени находится в первом состоянии.

Взаимосвязь процессов ^(t), k=1,2,...,n в моменты tk = кт осуществляется в соответствии со следующими рекуррентными равенствами:

<*" = P[4-iW = j] = P[X

Пусть T15 - случайное время до попадания процесса П (t) в пятое состояние, тогда вероятность Р(Т) = Р(Т15 < T) первого попадания системы в пятое состояние является характеристикой риска эксплуатации АХУ в период [0, Т].

Качество работы ПАЗ по обеспечению безопасности оценивается не только вероятностью Р(Т), но и коэффициентом снижения риска (КСР) [3, 4], под риском понимают частоту попадания технологического параметра в критическую область, и принятую равной отношению интенсивности входных запросов d к интенсивности запросов на выходе ПАЗ h, где h - средняя интенсивность попаданий системы в пятое состояние.

Величина h определяется при известной вероятности Р ( Т ) по формуле

, -ln

h =---------------, т.е.

T

КСР =--------dT-----.

ln

Вероятность Р ( Т ) , с учетом равенства Т = tn удовлетворяет соотношению

Р

Одним из показателей влияния ПАЗ на функционирование АХУ в интервале [0, Т] может являться среднее время пребывания процесса n(t) в третьем и четвертом состояниях, т.е. в состояниях останова, при не выявленном отказе ПАЗ.

Метод идентификации

Предлагается метод идентификации эксплуатационных параметров АХУ путем обработки информации о вероятных отказах оборудования и информации качественного характера, алгоритм обработки которой изложен в [6].

Основу для метода составляют идентификация АХУ как источника внештатных эксплуатационных ситуаций и последующее использование полученных данных из ИСМ для идентификации внештатных ЭС перед пуском АХУ.

Описания ЛП, соответствующие учитываемым параметрам состояния технологического процесса, формируются экспертами по эксплуатации АХУ. Подобные описания включают:

• наименования ЛП;

• наборы элементов ключевых множеств;

• наборы термов, их вид и описание функций принадлежности для ЛП.

Опросом экспертов составилось множество управляющих решений

R = {Ri,R2, ... , Rf},

возможных на АХУ. Управляющие решения задаются в виде отношений между значениями признаков. При этом учитываются взаимозависимости значений признаков. Для каждой ситуации s; из множества Ss формируется подмножество ситуаций Sls входящих в Ss, в которые переходит объект из ситуации s; под воздействием управляющих решений из множества R.

Нечеткая ситуационная сеть (НСС), ориентированная на эффективную реализацию представления и обработки нечётких ситуаций и предложения управляющих решений, характеризует динамику переходов из одной ситуации в другую во время эксплуатации АХУ и характеризуется следующими термами:

Т0 - отсутствие опасности, Т1 - «малая опасность», Т2 - «средняя опасность», Т3 - «большая опасность»; Т4 - «довольно большая опасность».

Следует иметь в виду, что значения основных параметров холодильной установки зависят от наружных и внутренних условий эксплуатации, поэтому при оценке допустимости того или иного параметра необходимо провести ряд сложных технических расчетов. Выполнение подобных расчетов с помощью ЭВМ и их учет при выработке управляющего воздействия с помощью автоматизированной системы управления значительно повышает надежность системы.

После реализации критериев безопасности программа управления должна перейти к критериям оптимальности. Критерием для выбора оптимального режима эксплуатации холодильной установки 132

является часть приведенных годовых затрат, изменение которых возможно при изменении цены электроэнергии, воды и др. Другими словами, эксплуатационные характеристики, запроектированные для одного соотношения цен оборудования и энергоносителей, могут быть пересмотрены при значительном изменении цен (точнее, их соотношения).

Заключение

Таким образом, проанализировав возможные состояния автоматизированной системы управления АХУ, были рассмотрены обстоятельства, влияющие на функционирование СИЭП совместно с ПАЗ. Приведенная модель процесса функционирования АХУ определяет качество работы автоматизированной системы управления по обеспечению безопасности. Предложенный метод идентификация эксплуатационных параметров АХУ используется в работе СИЭП АХУ и определяет критерии оптимальности параметров.

1. Федеральный закон № 116 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».

2. Руководящий документ РД 09-241-98. Методические указания по обследованию технического состояния и обеспечения безопасности при эксплуатации аммиачных холодильных установок.

3. ГОСТ Р МЭК 61508. Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных связанных с безопасностью.

4. ГОСТ Р МЭК 61511. Функциональная безопасность: Приборные системы безопасности для сектора промышленных процессов.

5. Егоров А.Ф. Управление безопасностью химических производств на основе информационных технологий / А.Ф. Егоров. М.: Колос, 2004. 416 с.

6. Путилин С.С. Мониторинг эксплуатационных характеристик аммиачной холодильной установки / С.С. Путилин // Всерос. науч. конф. проф.-преп. состава Астрахан. гос. техн. ун-та: тез. докл. [Электронный ресурс]. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2011. Режим доступа: 1 СБ-диск. № гос. рег.

7. Макдональд Д. Промышленная безопасность, оценивание риска и системы аварийного останова / Д. Макдональд. М.: ООО «Группа ИДГ», 2007.

ЛИТЕРАТУРА

0321101488.

Путилин Сергей Сергеевич -

аспирант кафедры «Холодильные машины» Астраханского государственного Технического университета

Sergey S. Putilin -

Postgraduate

Department of Refrigerating Machines Astrakhan State Technical University

Статья поступила в редакцию 15.06.13, принята к опубликованию 25.09.13