Учебники 80198

2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «31» мая 2012 г. в 1530 час. на заседании диссертационного совета ДМ 212.033.03 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, корп. 3, ауд. 3220,

тел.: +7 (473) 271-59-18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «27» апреля 2012 г.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Среди множества процессов различных

технологий нефтехимической отрасли выделяется класс потенциально опасных (полимеризация, нитрование, магнийорганический синтез и т.д.). На производствах, включающих в свой технологический цикл такие процессы, требуется уделять особое внимание вопросу безопасности, при этом необходимо учитывать все негативные воздействия, способные вывести объект за рамки штатного функционирования. Как показывает статистика, одним из таких факторов является наличие ошибок в управленческих решениях, принимаемых человеком. Последствия некорректных действий оператора можно разделить на две основные группы:

1)ошибки, ведущие к повышению опасности:

несвоевременно принятые решения;

некорректное управление, связанное с неадекватной оценкой

сложившейся ситуации;  ошибки, вызванные недостатком опыта принятия решений в

ситуациях, близких к аварийной;

2)ошибки, снижающие эффективность производства:

психологическая нагрузка, состояние рабочего места и т.д.), однако существуют системы, в которых дополнительные трудности в процесс управления вносит наличие неопределенностей различного рода. Это может быть чрезмерная сложность модели объекта, неоднозначность и неформализованность алгоритмов управления или плавающие границы между описаниями возможных состояний системы.

Одним из процессов нефтехимической отрасли, характеризующихся потенциальной опасностью и обладающих рядом неопределенностей, является полимеризация синтетического каучука в растворе, в связи с чем этот технологический этап выбран основной темой диссертационного исследования.

Анализ работ в данной предметной области показал, что для управления подобными объектами целесообразно использовать средства поддержки принятия решений и системы прогнозирования, а одним из наилучших методов для их построения является аппарат нечеткой логики.

Таким образом, актуальность тематики диссертационной работы продиктована необходимостью разработки методов и алгоритмов прогнозирования и интеллектуальной поддержки при принятии управленческих решений в условиях неопределенности, предотвращающих внештатное функционирование потенциально опасных объектов и не снижающих эффективности производства.

4

Цель исследования – разработка методов и алгоритмов управления потенциально опасными объектами, способствующих повышению уровня безопасности производства при заданной эффективности.

Задачи исследования:

-провести анализ исследуемого объекта и выявить проблемы принятия управленческих решений на разных этапах его функционирования;

-определить методы разработки систем, способствующих принятию решений на каждом из этапов процесса полимеризации;

-получить математическую модель объекта управления, позволяющую определить зависимость основного параметра системы от входных управляющих воздействий;

-разработать алгоритм вывода потенциально опасного объекта на регламентное значение основного параметра системы;

-разработать метод вывода объекта в рабочую точку пространства параметров для достижения заданного качества готовой продукции;

-разработать метод прогнозирования приближения системы к аварийному состоянию на рабочем этапе функционирования потенциально опасного объекта.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы системного анализа, математического моделирования, теории нечетких множеств и экспертных систем, анализа временных рядов, элементы теории автоматического управления и основы органической химии.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1.Разработан алгоритм вывода объекта на регламентное значение основного параметра системы по заданной траектории, отличающийся учетом неопределенности текущей ситуации.

2.Разработан метод вывода системы в рабочую точку пространства параметров с последующей передачей управления локальным схемам стабилизации, отличающийся возможностью комплексного использования нескольких каналов управления в зависимости от текущей ситуации на объекте.

3.Разработан метод прогнозирования приближения системы к аварийному состоянию, отличающийся комплексной оценкой внутренних тенденций системы к смене состояния и текущей ситуации на объекте с учетом

еенеоднозначности.

4.Получена аналитическая модель объекта, отличающаяся большим числом параметров и расширенным диапазоном применения.

Теоретическая и практическая значимость работы. Предложенные в работе методы предотвращения выхода системы в аварийный режим дополняют существующую для процесса полимеризации системную модель управления и не противоречат ее структуре, что повышает безопасность управления рассматриваемой системой. Разработанные алгоритмы реализованы в рамках распределенной системы управления, функционирующей на предприятии. Практическое использование результатов работы позволяет

5

предотвратить неэффективное ведение процессов и снизить уровень рисков. Основные теоретические и практические результаты работы внедрены в производство на ООО «Тольяттикаучук» (г. Тольятти) и в учебный процесс Воронежского ГАСУ в рамках дисциплины «Имитационное моделирование систем».

Положения, выносимые автором на защиту:

1.Алгоритм вывода объекта на регламентное значение основного параметра системы по заданной траектории, основанный на аппарате нечеткой логики, обеспечивающий безопасность проведения данной операции с минимизацией потерь энергетических и материальных ресурсов.

2.Метод вывода системы в рабочую точку пространства параметров с последующей передачей управления локальным схемам стабилизации, включающий в себя два последовательных этапа и способ их согласования и гарантирующий на этапе синтеза выпуск продукции заданного качества.

3.Метод прогнозирования приближения системы к аварийному состоянию, позволяющий лицу, принимающему решения, при необходимости вернуть объект в рамки нормального функционирования или, если это невозможно, заблаговременно остановить процесс.

4.Аналитическая модель объекта, позволяющая экспериментальным способом определить зависимость основного параметра системы от принимаемых управленческих решений и формализовать метод вывода системы в рабочую точку.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 65-й всероссийской научно-практической конференции на базе Воронежского государственного архитектурностроительного университета (Воронеж, 2010 г.) и на 66-й научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов университета с участием представителей исследовательских, проектноконструкторских, строительных и общественных организаций (Воронеж, 2011 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах, из них 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем предложены: [1] – способ определения параметров исходной выборки системы прогнозирования и модифицированный метод R/S-анализа для коротких временных рядов; [3] – метод прогнозирования приближения системы к аварийному состоянию, позволяющий в совокупности оценивать текущую ситуацию на объекте и внутренние тенденции системы; [4,5] – организация программного обеспечения

сопределением точек входа в алгоритм аварийной последовательности для своевременного выхода из нештатной ситуации; [6] – способ минимизации экономических потерь путем целенаправленного вывода объекта за рамки штатной ситуации; [8] – метод вывода потенциально опасного объекта управления в рабочую точку пространства параметров.

7

В режиме нормального функционирования выделяют три состояния:

нормальное протекание процесса при соответствии значений определяющих параметров установленному заданию (I-б);

отклонение определяющих параметров в сторону уменьшения опасности (I-а), не выходящее за рамки заданного диапазона;

отклонение определяющих параметров в сторону увеличения опасности (I-в), не выходящее за рамки заданного диапазона.

Режим I является зоной действия нижнего уровня системы управления. Работы локальных регуляторов достаточно для поддержания параметров объекта на заданном уровне, несмотря на возмущающие воздействия стохастического характера.

При возникновении значительных отклонений определяющих параметров от заданных пределов в сторону увеличения опасности процесс переходит в предаварийное состояние, в котором выделяют две фазы: в первой фазе (II-а) возможен возврат процесса к нормальному режиму, во второй (II-б) развитие аварийной ситуации становится необратимым, и вывести процесс на нормальный режим не представляется возможным. В последнем случае необходимо прекратить ведение процесса (III).

Отметим, что возврат из ситуации II-а к нормальному функционированию только с использованием возможностей регуляторов нижнего уровня системы управления не эффективен, т.к. предаварийное состояние возникает в результате воздействий сильных возмущений (или их совокупностей), не предусмотренных на этапе проектирования. В связи с этим решение задачи возврата процесса к нормальному режиму ложится на ЛПР.

Неизбежное развитие предаварийной ситуации с переходом ее в аварийную (IV), сопровождающуюся последствиями различной степени тяжести, происходит, если вовремя не принять меры по возврату процесса к нормальному функционированию или, если это невозможно, не прибегнуть к экстренному останову.

Согласно существующей системной модели, разработанной для управления данным объектом, нормальное функционирование (I) и состояние II-а в совокупности составляют штатную ситуацию. Состояние II-б соответствует аварии, а состояние IV идентично чрезвычайной ситуации. При разработке методов поддержки управленческих решений используется терминология П.А. Обновленского.

В результате анализа исследуемого производства было установлено, что процесс полимеризации – сложный технологический передел, состоящий из трех последовательных операций: пуск реактора, рабочий режим, останов на промывку. При этом принятие управленческих решений на каждом из этапов является сложной самостоятельной задачей, требующей индивидуального подхода. В связи с этим для достижения поставленной в работе цели необходимо:

8

1)рассмотреть каждый из этапов полимеризации, проанализировать возможные управленческие решения в различных ситуациях и трудности, связанные с их принятием, а также последствия, к которым могут привести ошибки ЛПР;

2)разработать такие методы, помогающие оператору принимать управленческие решения на каждом этапе полимеризации, чтобы качество конечного продукта, производительность оборудования и затраты энергетических и материальных ресурсов оставались на должном уровне.

Вторая глава посвящена подробному анализу этапов процесса полимеризации в рамках классификации состояний потенциально опасного объекта с целью установления проблем принятия управленческих решений, способных повлиять на переход системы в аварийное состояние.

Для процесса пуска такое сопоставление иллюстрирует рисунок 2.

Рис. 2. Состояния объекта управления в процессе пуска

Траектория регламентного пуска подобна состоянию I-б (нормальное функционирование). Температура реакции полимеризации, превышающая -450С, соответствует аварийному состоянию (IV), для выхода из которого в работу вступают особые механизмы управления в соответствии с существующей системной моделью. Зона между температурами -450С и -500С характеризуется как предаварийное состояние без возможности возврата к нормальному функционированию, что соответствует состоянию II-б. Зона между I-б и II-б соответствует двум состояниям: I-в и II-а, при этом граница между ними не определена.

9

Для предотвращения выхода в предаварийное состояние оператор может принять решение вести процесс пуска ниже регламентной траектории, что, с одной стороны, повысит безопасность производства, а с другой – увеличит время проведения данной операции, что приведет к перерасходу материальных и энергетических ресурсов, а также к снижению производительности полимеризатора (а следовательно, и всего цеха), который не был вовремя остановлен на промывку. В связи с этим зону под регламентной траекторией было принято называть зоной неэкономичного управления, а проведенный таким образом пуск – неоптимальным.

Для предотвращения возникновения аварии при выходе системы в зону предаварийного состояния оператор должен либо вернуть объект в режим нормального функционирования, либо остановить процесс. При этом на человека ложится дополнительная психологическая нагрузка, связанная с последствиями его решений, так как объект управления является потенциально опасным. В связи с этим оператор может принять решение остановить процесс раньше, чем наступит ситуация II-б, т.е. в ситуациях II-а или I-в (рис. 1), учитывая неопределенность границы между ними. Такой исход процесса пуска было принято называть неудачным пуском. Так же как и в предыдущем случае, данная ситуация влечет за собой потери различных ресурсов, но во много раз превосходящие потери при неоптимальном пуске.

Так как анализ первого этапа полимеризации выявил наличие неопределенностей в алгоритмах управления и неоднозначности в описании текущей ситуации в системе, целесообразно использовать для построения системы поддержки принятия решений (СППР) методы искусственного интеллекта. В результате анализа нескольких видов интеллектуальных СППР (ИСППР), способных справиться с поставленной задачей, в качестве метода для построения «подсказчика» на этапе пуска был выбран аппарат нечеткой логики.

В отличие от пускового режима, на этапе синтеза локальное управление осуществляется без участия оператора. Однако, учитывая лавинообразный характер процесса при приближении к аварийной ситуации, необходимо разработать систему прогнозирования, позволяющую заблаговременно предупредить ЛПР о возможности перехода объекта в состояние, где возврат к нормальному режиму работы уже невозможен (состояние II-б рис. 1). Благодаря полученному прогнозу ЛПР сможет предпринять действия по возврату объекта в нормальный режим функционирования или, если это невозможно, заблаговременно остановить процесс, что, с одной стороны, повысит уровень безопасности производства, а с другой – позволит избежать материальных и энергетических затрат на ведение процесса, останов которого неизбежен. В результате проведенного анализа было установлено, что наилучшим методом прогнозирования поведения системы в данном случае является R/S-анализ, способный выявить скрытые тенденции процесса. Кроме того, для получения более информативного прогноза также необходимо рассматривать текущую ситуацию на объекте. Таким образом, был предложен

10

метод совместной оценки показателя Херста и состояния системы в текущий момент времени с учетом неопределенности границ между возможными ситуациями на объекте.

Процесс останова полимеризатора является не только неотъемлемой частью технологического цикла, но и способом выхода из аварийной ситуации. Этот процесс является хорошо отработанным и не требует дополнительных вмешательств. В связи с этим поставленная задача сужается до разработки методов, способствующих принятию управленческих решений на этапах пуска реактора и синтеза бутилкаучука.

Третья глава посвящена разработке методов, способствующих принятию управленческих решений на каждом этапе полимеризации.

Для разработки СППР при проведении этапа пуска в первую очередь следует понять, к каким результатам приведут те или иные воздействия на объект. В связи с этим необходимо синтезировать адекватную математическую модель полимеризатора, которая позволит провести серию экспериментов без участия реального производства. При этом, если на этапе синтеза бутилкаучука модель объекта рассматривается вблизи конкретной рабочей точки и получить ее можно, проведя несложный эксперимент и применив метод регрессионного анализа, то для решения задач пуска это недопустимо. В связи с этим было принято решение получить модель реактора аналитически.

Для решения поставленной задачи аппарат представляется в виде идеальной модели проточного реактора полного смешения, который характеризуется тем, что любой элемент объема реагирующей смеси мгновенно перемешивается со всей средой, содержащейся в реакторе, так как скорость циркуляционных движений по сечению и высоте аппарата во много раз больше, чем линейная скорость по оси. В реакторах такого типа концентрация любого компонента равномерно распределена по всему реакционному объему, следовательно, уравнение материального баланса можно записать для всего объема реактора. Учитывая неизотермические условия протекания реакции, материальный баланс необходимо рассматривать совместно с тепловым.

Для данного реактора тепловой баланс можно представить в следующем

виде:

где – расход шихты, кг/час; – расход катализатора, кг/час; – теплоемкость шихты, ккал/(кг0С); – температура шихты, 0С; – температура в полимеризаторе, 0С; – температура катализатора, 0С; – тепло от мешалок, ккал/час; – тепловой эффект реакции полимеризации, ккал/кг; – скорость образования полимера, кг/час; – объем реактора, л; – плотность шихты, кг/л; – поверхность теплопередачи полимеризатора,