книги из ГПНТБ / Баясанов, Д. Б. Автоматизированные системы управления трубопроводными объектами коммунального хозяйства

При разработке технического обеспечения для инфор­ мационно-справочных и поисковых систем должны, видимо, быть созданы и нестандартные средства вычислительной техники, без которых обойтись будет трудно. Разработка технических заданий на специализированные средства тре­ бует больших знаний и объемного труда. Все эти вопросы

должны решаться при условии создания специализиро­

ванных средств на библиотечных, ассоциативных элемен­ тах памяти электронно-вычислительных устройств — во­

просу пока новому и слабо разработанному в вычислитель­ ной технике.

Резюмируя сказанное выше, можно утверждать, что

применение средств вычислительной техники значительно

облегчает управление производственными и технологиче­

скими процессами и позволяет вводить новые режимы, кото­

рые ранее считались практически неосуществимыми. При

этом технологические процессы обработки информации в АСУ будут заключаться в приеме, контроле и регистрации поступающей в тот или иной вычислительный центр ин­

формации, подготовке исходных данных, собственно обра­

ботки, контроле, размножении выходных данных в системе. Эти операции должны осуществляться при автоматизирован­ ном съеме информации с линий связи и контроле ее досто­ верности, а также при наличии рациональных носителей

(машинных) информационных данных. Очевидно, необхо­ дим набор некоторых критериев контроля, которые позволи­ ли бы в системе оценить окончательные результаты приема сообщений и ввода их в ЭВМ, чтобы на этапе приема, реги­ страции и контроля входной информации обеспечить наи­ большую достоверность приема сообщений. В противном случае процесс бы этот не имел смысла. Практически это означает существование системы контроля и регулирования качественных показателей узлов накопления, хранения и выдачи информации в АСУ. Все автоматизированные си­ стемы управления в той или иной мере имеют такие схемы

контроля и регулирования, однако применяемые оценки

качества часто отличаются в определенной степени субъ­ ективностью, и это надо всегда иметь в виду.

При создании технического обеспечения АСУ необходи­

мо изучение существующего положения, специфики отрас­ лей и всего комплекса коммунального хозяйства, учет воз­

можностей использования уже имеющейся в системе вычис­

лительной техники, линий связи, средств оргтехники, энер­ гопитания, строительных сооружений и т. п. В настоящее

240

время выпускают самые различные ЭВМ как с учетом их назначения, так и в отношении быстродействия, объема

памяти и ряда других параметров. Поэтому при использо­

вании в системе ЭЦВМ необходимо обеспечить возможность совместной работы нескольких машин в едином комплексе

технического обеспечения АСУ, а также соблюсти условия

кодовой и программной совместимости этих установок .на

всех уровнях иерархии управления.

Огромным разнообразием характеризуются также и все

прочие технические средства, используемые при построении

технического обеспечения АСУ. Решение о выборе тех или

иных средств необходимо принимать после специальных

исследований в каждом конкретном случае и в особенности

при комплектовании устройств оргтехники и связи. Кон­

кретные требования к средствам технического обеспечения АСУ обычно формулируются при составлении технического

проекта системы; они могут изменяться и уточняться в про­

цессе функционирования автоматизированной системы

управления. Так, вкратце в естественной последователь­ ности можно сформулировать основные принципы и мето­ дологию создания технического обеспечения АСУ объектов коммунальных хозяйств городов и населенных пунктов как части общегосударственной системы управления народным хозяйством СССР на ближайший период.

§ 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭВМ В АСУ

Уже в сегодняшней практике работы систем управле­

ния различными отраслями коммунальных хозяйств имеют

место различные расчетные операции производственных и эксплуатационных технологических процессов при состав­ лении оперативных, текущих и перспективных планов дея­ тельности подведомственных им объектов и предприятий. На основе этих диспетчерских расчетов выдаются плановые задания по расходу горячей и холодной воды, газа, электро­

энергии, составляются графики профилактических ремонтов оборудования, определяются качественные показатели и

характеристики работы системы и т. п. При внедрении АСУ задача состоит в том, чтобы развить плановые расчеты

в более полном, расширенном виде с учетом вопросов

управления при помощи средств вычислительной техники и

для более сложных и взаимосвязанных объектов коммуналь­ ных комплексов с учетом динамики их работы.

241

Совершенно очевидно, что благодаря своей способности к обобщениям ЭВМ в контурах управления сложными ком­ плексами позволяют реализовать высшую форму автомати­

зации сбора, обработки информации и вырабатывать управ­

ляющие воздействия. С учетом их применения здесь уже

речь идет о реализации в той или иной форме кибернети­

ческой системы управления производственно-хозяйствен­

ной и технологической деятельности предприятий и объек­

тов коммунальных хозяйств. Решение же вопроса о приме­

нении той или иной вычислительной машины или специа­ лизированного устройства, построенного на счетно-реша­

ющих элементах, в АСУ связано с проведением специальных

исследований для каждого конкретного уровня управления

с учетом всех особенностей производственного и техноло­

гического характера.

Как уже отмечалось в предыдущей главе, решение прак­

тически любых математических задач в АСУ можно провес-

сти на ЭЦВМ, причем с любой необходимой для практи­

ческих случаев и целей точностью. Однако высокая точ­ ность машин дискретного действия при решении задач АСУ коммунальных хозяйств для многих их объектов (особенно трубопроводных) не является таким уж ценным качеством, так как начальные и граничные условия большинства прак­ тических задач задаются обычно с невысокой точностью. Параметры моделируемых производственных и технологи­

ческих процессов в отдельных отраслях и всей системе в це­ лом часто тоже известны неточно. Поэтому для решения практических задач управления достаточно иметь решения уравнений того или иного управляемого процесса с точ­

ностью до 5—6 %. Точность серийно выпускаемых про­

мышленностью вычислительных машин непрерывного дей­ ствия вполне достаточна для выполнения отмеченных выше требований. Кроме того, сложность программирования ЭЦВМ, большая трата времени на подготовку задач и обра­ ботку полученных результатов заставляют всегда весьма

критически подходить к вопросу их использования и при­

нимать решения в зависимости от конкретных условий. Серийно выпускаемые промышленностью аналоговые вычислительные машины непрерывного действия позволяют

с достаточной для инженерной практики точностью моде­

лировать системы обыкновенных дифференциальных урав­

нений. Моделирование переходных процессов, которые опи­

сываются системой нелинейных дифференциальных урав­

нений в частных производных, осуществляется здесь после

242

линеаризации этих уравнений при помощи метода конечных разностей. Как показывает опыт, использование вычисли­

тельных машин непрерывного действия для расчетов, ана­

лиза и управления процессами в некоторых объектах ком­ мунальных хозяйств (особенно для трубопроводных си­ стем) является весьма эффективным н вполне приемлемым для инженерной практики. В этом случае решаются в ос­ новном технологические задачи.

Иначе обстоит дело со сложными большими системами,

когда объектом моделирования и управления служат не­

стационарные технологические процессы в многосвязан­

ных, многоконтурных схемах, а также при решении задач

технико-экономического и планового характера. Здесь эффективность и преимущества вычислительных машин не­ прерывного действия отступают на задний план, уступая место ЭЦВМ, без которых решать аналогичные задачи прос­ то невозможно и экономически недопустимо.

В АСУ нередко применяют и специализированные вы­

числительные машины как непрерывного, так и дискретного

действия или их комбинации (комбинированные машины).

При этом необходимо более тщательно исследовать производ­ ственный или технологический процесс, подлежащий управ­

лению, с точки зрения затрат времени на обучение управле­

ния этим процессом по отношению к общему времени проте­

кания последнего.

Если обратиться к терминологии теории игр, то сущ­ ность задачи состоит в оценке времени, затрачиваемого на обучение какой-либо игре, по отношению к общему вре­ мени, в течение которого она протекает, пока не меняются ее правила. Дело в том, что при малой величине этого от­

ношения применение специализированной вычислительной

машины не оправдано, так как последняя будет работать только в течение очень короткого срока. Если указанное отношение возрастает, то использование специализирован­ ной машины становится более рациональным, но при этом всегда следует учитывать и перспективу развития АСУ, которая нередко бывает решающим фактором при выборе типа ЭВМ. В целом, по-видимому, целесообразно иметь спе­

циализированные вычислительные машины на уровне

АСУТП в системах непосредственного управления техно?

логическими процессами на предприятиях, а на более вы­

соких уровнях АСУ — другие вычислительные машины, ко­

торые можно объединять в работе со специализированной машиной.

243

Применение ЭВМ в АСУ для управления производствен­ ными и технологическими процессами должно быть выгодно с технико-экономических позиций. Попытки беспорядочно­ го использования ЭВМ в различных отраслях промышлен­ ности и хозяйства как в СССР, так и, в особенности, за ру­ бежом, привели к тому, что на многих объектах и системах,

оснащенных локальными устройствами местной автоматиза­

ции, т. е. элементами АСУТП, относительно надежно обес­

печивающими регулирование и управление, не оправдались.

Капиталовложения и эксплуатационные затраты на уста­

новку и работу ЭВМ и связанные с этим расходы по созда­ нию специального оборудования и вспомогательных уст­

ройств могут оказаться выше, чем полученный эффект от

улучшения производственного или технологического процес­

са. Поэтому определение областей экономической целесооб­

разности внедрения ЭВМ в качестве управляющего элемента технологических и производственных процессов является

важнейшей задачей разработчиков технического обеспече­

ния АСУ.

Эффективность использования денежных средств в на­

родном хозяйстве (в том числе средств, затрачиваемых на

внедрение новой техники), в соответствии с действующими

в СССР законоположениями, определяется путем минимиза­

ции следующего функционала:

" - 2

(4.1)

/!= 1

где Эг — эксплуатационные затраты в элементе системы; K i — ка­ питаловложения в этот же элемент; ср — номинальный срок оку­ паемости элемента; i — номер элемента.

Предположим, анализируется два варианта работы ка­

кого-либо объекта. Первый вариант содержит в себе только

локальную систему автоматического регулирования пара­ метров объекта и опишется формулой:

Второй вариант предполагает внедрение для этого же

объекта АСУ с управляющей ЭВМ в контуре автоматизи­

рованного управления теми же параметрами. В этом случае справедливо равенство

244

i= m

плуатационных расходов и капиталовложений при переходе

от системы локальной автоматизации к АСУ с управляющей

где Э;м,м — эксплуатационные расходы собственно ЭВМ и связан­ ных с нею устройств; A3;T.M— снижение эксплуатационных расхо­ дов в технологической схеме объекта, вызванные применением ЭВМ в системе управления.

Применение ЭВМ в качестве управляющего элемента

в АСУ объектом целесообразно; когда выполняется условие:

Вычтя из уравнения (4.6) уравнение (4.2) и произведя необ­ ходимые подстановки, получаем: -

I= т

i ~ 1

Полагая при этом, что сроки окупаемости локальной системы автоматического регулирования и АСУ с исполь­

245

зованием ЭВМ примерно одинаковы, т. е. сг,-а « а,-м, на­ ходим приближенную зависимость:

При этом, учитывая также, что обычно справедливо нера­ венство

можно утверждать, что эксплуатационные затраты в си­ стеме могут быть снижены за счет увеличения абсолютной величины ДЭгт.м, т - е- снижения эксплуатационных расхо­ дов в результате оптимизации технологического режима.

Для локальных систем автоматического регулирования

возможное изменение параметров технологического про­

цесса определяется степенью неравномерности соответст­

вующих регуляторов. Чаще всего общая неравномерность

процесса не превышает2—4%. В этих условиях зависимость между эксплуатационными затратами Д3,-Т.м и парамет­

рами, характеризующими технологический процесс, обыч­

но является линейной. Внедрение в АСУ машинной тех­

ники управления не исключает из контуров системы регу­

ляторы, непосредственно контактирующие с технологиче­ ским процессом. Роль ЭВМ в этих системах заключается

в периодической корректировке регулирующей аппаратуры,

периодической подстройке параметров управляющих воз­

действий на технологический процесс. В соответствии с этим

снижение эксплуатационных расходов линейно зависит от изменений параметров системы:

чем выше изменение независимых переменных параметров

в системе х, у,.....,z, тем больше может быть и снижение экс­ плуатационных расходов, а диапазон этих изменений будет

шире в системе АСУ с ЭВМ, чем в обычных локальных си­

стемах автоматического регулирования, учитывая отмечен­

ные выше особенности последних.

Во-многих реальных случаях, когда изменение незави­

симых переменных параметров технологического процесса чрезмерно велико, зависимость (4.12) может становиться и

246

нелинейной, однако общая закономерность изменения экс­ плуатационных расходов A3iT.Mв зависимости от колебаний параметров системы сохраняется. Большое изменение экс­ плуатационных расходов АЭ;Т.М возможно только при зна­ чительных колебаниях независимых параметров регулиру­ емого и управляемого технологического процесса. Этот важный вывод позволяет получить весьма эффективный

критерий оценки целесообразности внедрения ЭВМ в систе­

мы управления теми или иными объектами. Очевидно, что

использование ЭВМ в АСУ для выбора оптимальных значе­

ний независимых параметров управляемого технологическо­ го процесса тогда целесообразно, когда диапазон изменения этих параметров является значительным.

Это утверждение, однако, не означает, что для всех непрерывных технологических процессов, управляемых локальными системами автоматического регулирования

с малой неравномерностью, применение ЭВМ в качестве

элементов управления всегда неоправдано. Без глубокого и всестороннего анализа общей ситуации такое утверждение

может быть оспоримо. Например, на нефтехимических пред­

приятиях, установки которых оснащены средствами совре­

менной автоматики, такие параметры как давления, темпе­

ратуры и расходы сырья, топлива, воды, электроэнергии

и т. п. поддерживаются практически постоянными с нерав­

номерностью не более 2—4%. Если здесь используют в ка­ честве управляющих элементов ЭВМ, то общий эффект

изменения всех этих параметров при выборе машиной гло­ бального оптимума не может быть большим. Однако в таком процессе существуют и другие независимые переменные, например состав исходного сырья, количество и качество конечных продуктов, температура внешней среды, актив­ ность катализаторов, степень загрязнения теплообменной

аппаратуры и т. п. Степень изменения этих параметров, вли­

яющих на основной технологический процесс косвенно, может быть значительно больше, чем степень изменения

ность использования ЭВМ в АСУ технологическими процес­

сами на этих объектах.

Значительное изменение независимых переменных пара­

метров, в том числе и таких основных технологических, как

давления, температуры, расходы и составы продуктов, имеет место во многих периодических и непрерывных про­

цессах со значительными степенями неравномерности, при

247

переключениях агрегатов, объектов или отраслей в целом,

аварийных режимах всех процессов, при расчетной опти­

мизации проектирования технологических систем, конст­

руирования оборудования для этих систем и т. п.

Если обратиться к анализу режимов работы отраслей

коммунальных хозяйств и, в особенности, трубопроводных

систем, то станет ясным, что речь идет о технологических

объектах, в которых независимые параметры основных процессов в силу их специфических особенностей изменяют­

ся в очень широких пределах. Поэтому применение в авто­

матизированных системах управления этих объектов в ка­

честве управляющих элементов ЭВМ может дать большой

технико-экономический эффект.

§ 3. НАДЕЖНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АСУ

Прежде чем осветить вопросы надежности функцио­ нирования АСУ, кратко остановимся вообще на задачах надежности работы управляемой системы на примере слож­

ной схемы газоснабжения. Эта постановка интересна тем,

что в связи с организацией единых схем газоснабжения

Рис. 34. Структурный элемент большой газовой системы

как отдельных городов, населенных пунктов, так и целых территориальных районов вопросы надежности работы этих комплексов приобретают существенное значение для общей структуры коммунальных хозяйств страны, с уче­

том ее эффективного функционирования. В качестве

структурного элемента такой большой газовой системы рассмотрим схему, представленную на рис. 34. Анализ на­

дежности этой системы может явиться предверием к решению

аналогичных вопросов и для иных более сложных много­

контурных и многосвязанных газовых систем. Однако сама

по себе и эта задача анализа надежности такой схемы газо­ снабжения имеет весьма важное значение. Решение ее за­

висит от улучшения режимных показателей эксплуатации

248

локальных газовых систем и от показателей функциони

рования всей системы газоснабжения в целом. Из при­

веденной структурной схемы ясно, что надежность газо­ снабжения потребителей в коммунальных хозяйствах и промышленности в основном будет зависеть от выполнения условий:

Qi (/) < Q2 (t) — в нормальном режиме;

Qi (О < Ф г ( 0 + Ф з ( 0 —в режиме пиковой нагрузки,

где (t), Q2 (t) и Qs (t) — количество газа соответственно потреб­ ляемого, поступающего к потребителю из газопровода и подавае­ мого из газохранилища.

Опишем определение некоторых новых характеристик

надежности системы газоснабжения в целом. Пусть в про­

цессе эксплуатации системы газоснабжения в первом при­

ближении общая вероятность ее безотказной работы Р Б бу­ дет выражена в виде зависимости

где Pj, Р2 и P-j — вероятность безотказной работы системы соот­ ветственно при выходе из. строя компрессорной станции, при не­ достаточном для покрытия пиковой нагрузки количестве газа, по­ ступающего в систему (аварии на газопроводе, падение давления в городском газовом коллекторе и т. п.), при образовании гидратов или разрывов труб.-

Предположим, что все время система работает в режиме

максимальной нагрузки и вероятность появления отказов распределена по закону Пуассона. Это предположение имеет

в своей основе анализ верхней границы показателей надеж­

ности в целом. Рассмотрим определение вероятности показа­ теля безотказной работы Р г. Известно, что эквивалентная наработка на отказ, скажем, компрессорных станций с х г ра­ ботающими компрессорными агрегатами равна:

В свою очередь

(4.15)

249