Будь умным!


У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.ru

темами в качестве основных используются оценки степени и качества решения двух главных задач- повышен

Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2016-03-30


  1.  Назначение и основные характеристики  (СКУ), классификация задач управления, обеспечения безопасности, терминология.

---------------------------------------------------------------------------------------

Управления производственными системами в качестве основных используются оценки степени и качества решения двух главных задач:

  •  повышения технико-экономической эффективности производства за счёт улучшения процесса сбора, обработки информации и её использования для целей управления;
  •  обеспечение безопасности производства и его соответствия существующим нормативно-техническим документам; показателями эффективности решения данной задачи являются: надежность системы управления, безопасность, в т.ч. экологическая, производства.

«Автоматизация» -– область науки и техники, связанная с вопросами управления без непосредственного участия человека.

«Автоматизация» - комплекс технических, методических, организационных и др. мероприятий, направленных на создание автоматических систем управления (управления без участия человека), либо автоматизированных систем управления (управление с участием человека в процессе принятия решений на управление).

        «управление» используется  задач управления более сложных, чем задача поддержания (стабилизации) технологического параметра, для которой используется термин «регулирование».

АСУТП – автоматизированная система управления технологическими процессами – иерархически организованная двух – или трехуровневая система, выполняющая функции:

  •  сбора информации о состоянии ТОУ;
  •  поддержание технол-ских параметров на заданных значениях ;
  •  контроль за технол-ми параметрами, для которых не выполняется функция регулирования;
  •  сигнализация о параметрах, значения которых вышли за допустимые пределы
  •  блокировка управлений, (ошибочные действия технологического персонала)
  •  ПАЗ процесса и производства при возникновении аварийных ситуаций.

 Подсистемами 2 и, возможно, 3 уровней выполняются е функции:

  •  архивирование событий;
  •  вычисление по моделям (косвенное измерение) не измеряемых  параметров,  показателей качества продуктов производства, отдельных ТЭП;
  •  проверка или сведение материальных и энергетических балансов для аппаратов, установок, цехов ;
  •  выработка управлений для предотвращения развития аварийных событий( резервное оборудование, диагностика неисправности).

Общее название подсистем данного уровня наз. – «SCADA»-системы

Можно выделить подсистемы:

MES –исполнения производства или технического исполнения плана;

MRP – планирования производства с учетом наличных ресурсов и возможностей технологии.

Подсистемы АСУТП обеспечивают  управление производством в реальном времени  по техническим показателям,   технологическим параметрам, показателям качества .

В некоторых случаях АСУТП решает  задачи управления процессами по ТЭП  Управление производством по экономическим критериям и ТЭП осуществляется АСУП, для которых основной целью управления яв-ся планирование производства и автоматизация процессов документооборота а также  процессов снабжения производства сырьем,  сбыта продукции, финансовых процессов. Задачи последнего типа относят  к области интересов логистики. 

На уровне АСУП часто выделяют:

-задачу планирования (управления) ресурсами ERP ;

-задачу управления основными фондами и имуществом EAM 

Общее название подсистем данного уровня наз. – «SCADA»-системы

Можно выделить подсистемы:

MES –исполнения производства или технического исполнения плана;

MRP – планирования производства с учетом наличных ресурсов и возможностей технологии.

Подсистемы АСУТП обеспечивают  управление производством в реальном времени  по техническим показателям,   технологическим параметрам, показателям качества .

В некоторых случаях АСУТП решает  задачи управления процессами по ТЭП  Управление производством по экономическим критериям и ТЭП осуществляется АСУП, для которых основной целью управления яв-ся планирование производства и автоматизация процессов документооборота а также  процессов снабжения производства сырьем,  сбыта продукции, финансовых процессов. Задачи последнего типа относят  к области интересов логистики. 

На уровне АСУП часто выделяют:

-задачу планирования (управления) ресурсами ERP ;

-задачу управления основными фондами и имуществом EAM 

АСУП необходимо рассматривать как одну из главных подсистем Интегрированных систем управления предприятием (ИСУ).

ИСУ  выполняет следующие функций:

  •  АСУТП;
  •  автоматизации бизнес–процессов, представление информации в том виде, удобной для принятия решений;
  •   автоматизации задач планирования и проектирования (основная задача – автоматизация рабочего места (АРМ) лица)

При построении АСУТП обычно используются программные пакеты, которые достаточно условно можно разбить на два подмножества:

1). CASE–средства ( для программирования задач подсистемам нижнего уровня АСУТП на промышленных микроконтроллерах );

2). SCADA–системы, ( для автоматизир АСУТП из  элементов  микроконтроллеры, компьютеры)

На рис. 1.2 приведена функциональная схема управления, в которой SCADA–система представлена как функциональаяе основа АСУТП, а все остальные функциональные элементы  отнесены к АСУП.

Автоматизированный технологический комплекс (АТК) – это совокупность ТОУ и АСУТП. Для уровня АСУП можно использовать СУ базами данных (СУБД).

SCADA–пакеты, предназначенные для визуализации и удобного представления информации, получили название MMI – систем

ИСУ обеспечивает автоматизированную информационную связь между подсистемами АСУТП, АСУП, АРМами.

Рис. 1.2 Функциональная схема управления технологическим процессом


2. Концепция построения АСУТП и интегрированных АСУ; программно-техничекая база для решения задач управления и обеспечения безопасности нефтехимических производств.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Построение АСУТП нефтепереработки, нефтехимии  и нефтедобычи.

      Функциональная схема построения АСУТП представлена на рис. 1.3.

      Задачи нижнего (первого) уровня – контроль и обеспечение заданных значений параметров, на основе которых проводится управление процессами. На этом уровне реализуются на основе автоматических систем контроля (АСК) и автоматических систем регулирования (АСР), технически обеспечиваемых датчиками (первичными преобразователями), каналами связи, усилителями, задатчиками, регуляторами, исполнительными устройствами.

Задачи второго уровня – вычисление (оценка) и поддержание заданных показателей качества продуктов, расчет и оптимизация отдельных ТЭП. Основная  проблема связана с трудностью получения оперативной информации о показателях качества (ПК)  и  (ТЭП). Поточные анализаторы  для целей оперативного управления не годятся т.к обладают большим запаздыванием .

1.3. Функциональная схема построения АСУТП

Для третьего уровня характерны такие задачи как: расчет балансов по продуктам и энергии, расчет  энерго- и материалозатрат на единицу продукции, оценка себестоимости единицы продукции (полуфабрикатов)

     Решение задач управления - иерархическая система, в которой задачам АСУТП соответствуют два нижних уровня, а третий уровень – это задачи АСУП.

АСУТП является система обеспечения безопасности (СОБ)- иерархическая.

На нижнем уровне СОБ располагается подсистема ПАЗ.  ПАЗ  строится как автономная,  работоспособность которой  не связана с состоянием функций АСУТП.

На высоких уровнях СОБ есть системы диагностики неисправности элементов АТК

  Обобщенная структура интегрированной системы (ИС) управления,  представлена на рис. 1.4.

Где: УСО – устройства связи с технологическим объектом, AS - «полевые»  технические средства (датчики и исполнительные устройства), ТОУ – технологический объект управления.

Техническое построение АСУТП и ИС являются программируемые логические контроллеры (ПЛК или ремиконты),   компьютеров (ПК), пакетов прикладных программ (ППП), сетевых средств .

Техническая реализация функций контроля, управления, защиты, диагностики, резервирования и т.д. может осуществляться по различным вариантам:

-централизованно (ЦСУ – централизованные су), когда все функции сосредоточены в одном вычислительном комплексе (компьютере);

Рис. 1.4. Обобщенная структурная схема интегрированной СУ

-распределенно (РСУ – распределенные су), когда отдельные функции реализуются отдельными вычислительными компонентами (контроллерами, компьютерами, подсистемами и т.д.), но между компонентами  осуществляется взаимодействие цифровыми сигналами по вычислительным сетям;

-автономно (ЛСУ – локальные су), когда функции выполняются отдельными компонентами без обеспечения взаимодействия между ними.

 Признаки РСУ:

1) наличие цифровой связи между компонентами СУ;

2) интеллектуализация  устройств путем встраивания микропроцессорных (МП) средств;

3) приближение вычислительных возможностей к ТОУ,

4) независимость контуров регулирования от супервизорной ЭВМ.

Рис. 1.5. Элементы программно-технического комплекса АСУТП

Компоненты РСУ (рис. 1.5): ASI –– обеспечивает взаимодействие полевых средств (AS) и ПЛК, ПК. Операционные системы ОС и реального времени ОСРВ - взаимодействие микропроцессорной системы (платформы) и приложений. Взаимодействие нижнего (ПЛК, ПК) и верхних уровней управления (АРМ) осуществляется через полевые  локальные  сетевые средства.

Технические средства для создания вычислительных сетей включают также конструктивы , кабели .


3.Классификация технологических объектов управления (ТОУ); системные принципы и состав задач при разработке сложных систем управления (на примере технологических процессов нефтепереработки и нефтехимии).

Классификация процессов как объектов управления

По физико-химическим приемам переработки материалов выделяются следующие виды процессов:

   1) Механические процессы: измельчения, дозирования

   2) Гидромеханические: перемешивание, отстаивание.

   3) Тепловые: нагрев, выпаривание.

   4) Массообменные: ректификация, аб(ад)сорбция

   5) Химические: окисление, восстановление, синтез, крекинг

.По характеру проведения во времени выделяются следующие виды процессов:

а) Непрерывные;  б) Полунепрерывные;   в) Смешанные;  г) Дискретные.

Основными технологическими параметрами, по которым осуществляется контроль и управление  процессами- температуры, давления, расходы вещества и энергии, межфазные уровни продуктов.

 Классификация задач управления ТП добычи и переработки нефти

Структура  АСУ ТП включает в себя два или три уровня

Перечислим  задачи первого (нижнего) уровня -  поддержание измеряемых технологических параметров на заданном уровне: см. рис 1,3

- сбор информации об измеряемых технологических параметрах процесса (А1),

- выработка управляющих воздействий на технологический процесс с целью поддержания технологических параметров на заданных значениях или изменения их по определенным законам (А2),

- сигнализация о выходе их за заданные пределы (А3),

- блокировка ошибочных действий персонала  и управляющих устройств ,

- противоаварийная защита (ПАЗ) процесса по факту аварийных событий .

Подсистемы этого уровня могут бытьреализованы с использованием «традиционных» методов регулирования динамическими объектами по схеме «объект – регулятор».

Примерами таких подсистем являются подсистемы поддержания температуры, давления, уровня, расхода вещества  в резервуарах, ректификационных колоннах, адсорберах, печах, насосах, реакторах и т.д.

        Задачи управления типовыми процессами нефтепереработки, нефтехимии и нефтедобычи перечислены в табл. 2.1.

      На втором уровне -  уровне управления по показателям качества продуктов и эффективности процессов, типичными задачами являются:

- вычисление не измеряемых параметров, в частности, показателей качества  (ПК) продуктов, технико-экономических показателей (В1),

- сведение материальных балансов (В2),

- архивирование информации (В3),

- генерация отчетов (В4),

- диагностика и защита от сбоев в элементах подсис нижнего уровня (В5),

- определение настроек управляющих устройств (УУ) и уставок (заданий) локальных регуляторов подсистем первого уровня (В6),

- изменение структуры локальных подсистем (переконфигурирование, включение/выключение, переход в ручное управление и т.д.) (В7).

  Таблица 2.1 Типовые задачи управления для основных видов процессов

Типовые задачи

Массообменные процессы

1. Стабилизация процесса

2. Оперативная оценка неизмеряемых ПК продукции  (вязкость, температуры вспышки и т.д.), определение  четкости разделения

3. Минимизация удельных энергозатрат на единицу   продукции

4. Увеличение выхода продуктов заданного качества

5. Сведение материальных балансов

6. Диагностика неисправностей оборудования, защита  от сбоев в СУ

Реакторы

1. Стабилизация процесса (поддержание скорости,     постоянных соотношений расходов и т.д.)

2. Оперативная оценка неизмеряемых ПК

3. Минимизация количества побочных продуктов

4. Минимизация удельных энергозатрат на единицу  продукции

5. Диагностика неисправностей оборудования, защита    от сбоев в СУ

Тепловые процессы

1. Оптимизация процесса сжигания топлива

2. Диагностика неисправностей оборудования, защита     от сбоев в СУ

Распределение нефти и нефтепродуктов

1. Диагностика неисправностей оборудования, защита    от сбоев в СУ

2. Обеспечение безаварийной работы насосов (предупреждение кавитационных явлений, контроль температуры масла, давлений и т.д.)

3. Предупреждение порывов трубопроводов

4. Предотвращение несанкционированного смешивания   продуктов

Добыча нефти

1. Балансирование работы насосных станций по закачке и дебитам

2. Минимизация обводненности добываемой нефти

3. Диагностика неисправностей оборудования, защита от сбоев в СУ

4. Определение ПК добываемой на промысле и подготавливаемой на УПН нефти

5. Максимизация эффективности при расходовании реагентов (деэмульгаторов и др.)

6. Минимизация удельных энергозатрат

Этот уровень может быть реализован с использованием программных продуктов отечественных и зарубежных производителей например:

- экспертных систем реального времени- SCADA-систем (- программно-технических комплексов - операционных систем реального времени

Перечисленные выше программные продукты предназначены для использования на действующих  технологических установках в реальном времени и, следовательно, требуют использования компьютерной техники в промышленном исполнении, отвечающей наиболее жестким требованиям в смысле надежности, стоимости и безопасности. Стоимость элементов АСУ, основанных на этих продуктах, и программно-технических комплексах, составляет десятки и даже сотни тысяч долларов. Кроме того, инжиниринг таких систем сравним по стоимости с самими системами и занимает довольно длительное время (до года). Поэтому на небольших производственных участках и установках (с числом параметров порядка нескольких единиц или десятков) далеко не всегда имеется возможность их использования.

На третьем уровне – уровне управления производством (уровень АСУП) можно считать типичными следующие задачи:

-расчет технико-экономических и экономических показателей производства,

- управление по технико-экономическим и экономическим показателям,

- сведение материальных балансов,

- архивирование информации,

   - составление производственных планов и т.д.

        Следует отметить, что, некоторые задачи второго и третьего уровней перекрываются и в ряде случаев эти два уровня технически объединяются в один.

Потоки информации между уровнями обычно двунаправленные. При этом 3 уровень управления получает информацию о состоянии нижележащих подсистем и на этой основе формирует для них задания на управление, осуществляя координацию работы подсистем в целях оптимизации общесистемных показателей качества и эффективности.


4. Жизненный цикл АСУТП и АТК. Режимы работы автоматизированных технологических комплексов (АТК) и их взаимосвязь.

Режимы работы автоматизированного технологического комплекса

Для анализа задач, возникающих при автоматизации процессов, рассмотрим диаграмму жизненного цикла автоматизированного технологического комплекса (АТК). На рис. 2.1  обозначены стадии жизненного цикла:

Рис. 2.1. Диаграмма стадий жизненного цикла АТК

ПР – проектирование;  СУ – строительство; ИС – исходное состояние;

ГС – горячее состояние; НС – нормальное состояние (штатный режим);

ДС – доаварийное состояние (предупредительная сигнализация 1-2 уровня); ПС – предаварийное состояние (срабатывание защиты); АС – аварийное состояние; РС – ремонтное состояние; КС – конечное состояние АТК (уничтожение установки или капитальная реконструкция).

 Типичными задачами при проектировании АСУТП являются:

1) на нижнем уровне управления - задачи разработки и оптимизации работы локальных подсистем регулирования (АСР) и систем ПАЗ:

- выбор и оптимизация структуры АСР (одноконтурные, каскадные, комбинированные, многосвязные, логико-динамические, адаптивные, нечеткие, нейронные ),

-оптимизация параметров управляющих устройств,

- выбор программно-технических средств и оценка показателей надежности АСР и ПАЗ.

2) на 2-3 уровнях - разработка алгоритмов  по решению  задач управления для штатного режима и обеспечения безопасности при возникновении не штатных ситуаций:

- управление процессом по качеству продуктов переработки;

- минимизация материальных- и (или) энергозатрат;

- оперативное управление по ТЭП;

- диагностика отказов датчиков, исполнительных устройств;

- защита от последствий отказов (резервирование, замораживание выходов регуляторов, расчет параметров на основе моделей);

- принятие мер по снижению отрицательного эффекта от аварий и дефектов оборудования - мягкое парирование неполадок элементов АТК.;

- прогнозирование развития аварийных ситуаций и  их предупреждение.

3) разработка алгоритмов пуска и планируемых  остановов установок.

  1.  
    Задачи управления  и модели подсистем управления нижнего уровня. Автоматические системы регулирования (АСР). Принципы и методы формирования структуры АСР для типовых ТОУ. Выбор структуры АСР, параметров контроля, регулирования, сигнализации, защиты и блокировки (КРСЗБ).

------------------------------------------------------------------------------------------

АСР типовых ТОУ. К типовым ТОУ относятся объекты, для которых известны технология, принципы и приемы регулирования, перечень параметров. Данная информация предоставляется технологами в  технологическом регламенте.

Выбор параметров контроля, регулирования сигнализации и блокировки осуществляется по данным технологического регламента.

По характеру регулируемых параметров существуют следующие типы  АСР:

- одноконтурные АСР;

- Каскадные;

- Комбинированные;

- Многосвязные (многомерные).

Одноконтурные АСР

Типичная одноконтурная автоматическая система регулирования (АСР) технологического параметра – это контур (система с обратной связью), состоящий из элементов:

«Выход объекта (измеряемый параметр) ППНПКРВПИУ Вход объекта (управляющий параметр)», где ПП – первичный преобразователь (чувствительный элемент), НП – нормирующий преобразователь, преобразует сигнал от первичного преобразователя в стандартный (токовый) сигнал, КР – контроллер (регулятор), ВП – выходной преобразователь (усилитель мощности, межсистемный преобразователь), преобразует сигнал от контроллера к виду, воспринимаемому исполнительным механизмом ИМ (например, токовый сигнал преобразуется в пневматический для пневматического ИМ), ИУ - исполнительное устройство.

Пример: Регулирование расхода продукта в трубе (рис.3.1)

Рис. 3.1. Функциональная схема АСР расхода

Каскадные системы являются одним из наиболее распространенных классов АСР. Необходимость их применения обусловлена тем, что многие промышленные объекты характеризуются большим запаздыванием и значительными возмущениями. Одноконтурные АСР при управлении такими объектами не всегда обеспечивают требуемое качество управления.

Назначение, структуру  и особенности каскадной АСР рассмотрим на примере регулирования температуры на выходе печи, рис. 3.3. Задачей регулирования является поддержание заданного значения  Твых.

Рис. 3.3. Одноконтурная АСР печи

Возмущениями могут быть:

-изменение количества сырья Gс в печь, -изменение количества Gт и состава Qт топлива в печь,  -погодные условия и т.д.

В силу большой инерционности печи эти возмущения будут вызывать  достаточно большие динамические ошибки по Твых. Использование комбинированных АСР проблематично, т.к. не все возмущения могут быть измерены, да и число их может быть велико.

Идея построения каскадной АСР состоит в следующем, что в объекте может быть выделен промежуточный выходной параметр, который  является: а) либо основным наиболее сильным возмущением-РАСХОД ТОПЛИВА б) либо это параметр, который с одной стороны оказывает сильное влияние на выходную (регулируемую) величину, а с другой сам зависит от возмущений температура ДЫМОВЫЕ ГАЗЫ При этом динамика изменения этого параметра характеризуется существенно меньшей инерционностью, чем выходного параметра.

Организуется два контура регулирования: внутренний, стабилизирующий контур регулирования осуществляет поддержание промежуточного параметра на значении (задании, уставке), которое формируется внешним, корректирующим контуром, который обеспечивает достижение цели регулирования – поддержание Твых на заданном значении, рис. 3.4. В силу меньшей инерционности внутреннего контура возмущении ликвидируются «на корню», а неидеальность компенсации из-за инерционности внутреннего контура, не полной функциональной зависимости выходного параметра от промежуточного, неточности измерения и т.д., компенсируется за счет работы внешнего контура.

Внутренний контур – стабилизирующий, Р-1 стабилизирующий регулятор; внешний контур – корректирующий, Р-2 – корректирующий регулятор..

Рис. 3.4. Структурная схема каскадной АСР

Настройки регуляторов рассчитываются путем декомпозиции каскадной системы на две эквивалентных одноконтурных исходя из гипотезы динамической (частотной) независимости внутреннего и внешнего контуров. Настройки стабилизирующего регулятора рассчитывают по передаточной функции Wоб1 промежуточного объекта (канал «управляющее воздействие - промежуточный параметр»). Настройки корректирующего контура рассчитываются по передаточной функции эквивалентного объекта,

                                          Wэкв=Wоб2/Wоб1,                                                           (3.3)

где Wоб2 –передаточная функция по каналу «управляющее воздействие-выходной параметр».

По сравнению с одноконтурными каскадные АСР обеспечивают следующие преимущества:

  1.  существенное (в 1,5 – 20 раз) улучшение качества управления при отработке возмущений и обычно не значительное (в 1,5 – 2 раза) – при  отработке управляющих воздействий.
  2.  поддержание управляемого (основного выходного параметра, в примере Твых) на заданном значении с высокой степени точности при большом запаздывании основного объекта управления.
  3.  быструю компенсацию возмущений, воздействующих на стабилизирующий (внутренний) контур регулирования, вследствие чего эти возмущения не приводят к большому отклонению управляемого параметра от заданного значения.

Комбинированные системы  используются довольно редко, т.к. для большинства объектов количество возмущений обычно велико и многие из них не могут быть измерены. В теплоэнергетике достаточно часто для регулирования (стабилизации) уровня в барабане используются  многоимпульсные системы регулирования, которые являются примером комбинированных систем, см. структурную схему на рис.3.5.

Построение комбинированных систем проводится по следующей схеме:

  1.  синтезируется (оптимизируется) АСР, построенная на основе принципа по отклонению;
  2.  рассчитываются структура и параметры компенсаторов т.е рассчитываются передаточные функции компенсирующих каналов Wк(s) исходя из условий обеспечения инвариантности вых величины к конкретному возмущению.

Для обеспечения физической реализуемости компенсатора применяется принцип двухканальности Б.Н. Петрова, гласящий, что для обеспечения инвариантности выхода Y к возмущению f оно должно распространяться в системе не менее, чем по двум каналам, причем характеристики каналов должны быть одинаковыми, но противоположными по знаку. В случае, когда второй канал распространения возмущения организуется путем воздействия на управляющий вход объекта (рис. 3.5)

Рис. 3.5. Структурная схема комбинированной АСР

это означает, что должно выполняться условие  Wвоб(s) = -Wk(s)*Wyоб(s),                                 

где     Wвоб(s)  и   Wyоб(s) – передаточные функции объекта по возмущающему и управляющему каналам.                  

Из данного условия следует, чтоWk(s) = Wвоб(s)/ Wyоб(s).                                     

Может оказаться, что Wk(s) является физически не реализуемым звеном. В этом случае характеристики Wk(s) аппроксимируются  подходящим динамическим звеном с заданной степенью точности. Обычно вначале обеспечивается выполнение условия  в статике, а затем по частотным характеристикам проводится последовательная аппроксимация интегро-дифференцирующими звеньями,  начиная с первого порядка, до достижения заданной точности.

АСР называется многосвязной, если изменение одной регулируемой величины влияет на другие регулируемые величины. Например, в ректификационной колонне процессы регулирования температуры низа будут влиять на процессы регулирования температуры верха из-за наличия градиента температур и наоборот. В нагревательных печах с несколькими потоками сырья контуры регулирования температур каждого из потоков будут взаимосвязаны через общие элементы печи (топочное пространство, перевал).

При анализе и синтезе (оптимизации) многосвязных систем возникают следующие задачи:

  1.  выбор управляющих воздействий для каждой выходной переменной;
  2.  анализ силы связности подсистем и влияния на качество управления взаимосвязи между параметрами;

для анализа силы связности подсистем существует метод Бристоля, позволяющий судить о связности подсистем в статике,  но не позволяет определить силу связей подсистем с учетом динамики.

Для анализ силы связности с учетом динамических свойств системы существует метод диагональной доминантности.

Так же существует метод Вавилова-имаева, который позволяет не только решать задачи оценки силы связности подсистем, но  и задачу синтеза или целенаправленного развязывания системы, с тем,  чтобы обеспечить приемлемое качество процесса управления многосвязной АСР.

3)синтез (оптимизация) многосвязной системы.

Задачей нижнего (первого) уровня является контроль и обеспечение заданных значений параметров, на основе которых проводится управление процессами.

Для контроля и регулирования технологических параметров в основном применяются типовые законы регулирования. В случае когда регулируемая величина нелинейна, нестационарна, или требуется особая точность, применяются адаптивные, нейросетевые, нечеткие и др. регуляторы.

Моделью подсистемы управления является передаточная функция, по которой производят расчет настроек типовых регуляторов. Для нетиповых регуляторов настройка производиться на основе экспериментальных данных.


  1.  Многомерные ТОУ и АСР. Особенности, виды моделей для анализа характеристик, их взаимосвязь. Сравнительный анализ методов управления многомерными ТОУ.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Для рассмотрения особенностей многосвязных объектов, методов анализа и построения многосвязных АСР вначале рассмотрим модели, которые при этом необходимо использовать.

Для анализа и синтеза многосвязных систем существуют и используются два основных вида моделей  

1. Описание в пространстве состояний.

В общем случае линейные динамические системы описываются системой матричных уравнений:

X(t) = А(t)∙X(t) + B(t)∙U(t);     (3.6)  Y(t) = C(t)∙X(t) + D(t)∙U(t),    (3.7)

где X – фазовые координаты или переменные состояния; Y – наблюдаемые (или измеряемые) переменные; А(nxn)  – матрица коэффициентов; B(nxq) – матрица входов или управлений; C(pxn) – матрица связи; D(pxq) – матрица обхода.

В случае, если имеются управляющие устройства, порядок числителя которых равен или больше порядка знаменателя, матрица D≠0. В противном случае она нулевая.

На основе модели (3.6), (3.7) анализируются ряд фундаментальных свойств, таких как управляемость, наблюдаемость и др., а также решаются задачи синтеза регуляторов нижнего уровня (синтез модальных регуляторов; аналитическое конструирование регуляторов; условия обеспечения автономности  подсистем).

2. Описание в терминах «вход-выход»

      Для практики гораздо удобнее модели в терминах «вход-выход», рис. 3.6.

Если модели объекта и регулятора – непрерывные операторы, уравнения в терминах вход/выход могут быть записаны в матричном виде:

 Y = GPE + GdD;      (3.8)     E = YdY.           (3.9)

Можно показать, что  Y = TYd + TdD,                                                  (3.10)

где: T = (I+G∙P)-1G∙P;  Td = (I+G∙P)-1Gd.,                                                       (3.11)

P – матрица регулятора; G – матричная ПФ. ОУ по заданию; Gd – по возмущению; I – единичная матрица; Е – вектор ошибок.

       

             Рис. 3.6. Структурная схема многосвязной АСР

Рассмотрим два варианта:

Вариант 1. Когда для каждой выходной управляемой величины y может быть однозначно выбран управляющий параметр U. В этом случае m = p;

m количество управляющих входов;  p - количество управляющих выходов;

Матрица Gквадратная;

Этот вариант в свою очередь содержит два случая:

1 случай. Когда матрица объекта G диагональная (либо квазидиагональная, т.е. коэффициенты усиления по «не основным» каналам для i ≠  j   существенно меньше, чем по основным для i =  j). Тогда сложная система может быть декомпозирована и имеет место набор одноконтурных автономных (или почти автономных) подсистем.

2 случай. Когда матрица не является диагональной. В этом случае говорят о многомерном (многосвязном) объекте и многосвязной системе.

Вариант 2. Для выходного управляемого параметра  нельзя однозначно выбрать управляющий вход, либо количество вых переменных и управлений не совпадает.

Рассмотрим вариант 1, случай 2.

Для двухпоточной печи с общим топочным пространством, рис. 3.7, установлены две одноконтурных АСР. АСР левого потока, которая  аналогична АСР правого, на рис. 3.7 она не показана. При этом матричная передаточная функция объекта будет

                                        .                                        (3.12)

                             

Рис. 3.7. ФСА двухпоточной печи

Вариант 2

Пример 1. Объект тот же, что и в  предыдущем примере, но установлено только одно управляющее устройство и имеется только одно исполнительное устройство, хотя требуется поддерживать в заданных пределах две выходных переменных: температуры сырья левого и правого потоков.

Пример 2. Вакуумная колонна

Отбираются четыре боковых фракции и гудрон (5-я фракция), которые рассматриваются как продуктовые потоки. Качество продуктовых потоков (вязкости и температуры вспышки) необходимо поддерживать в заданных пределах. Всего, таким образом,  требуется поддерживать в заданных пределах 8-10 параметров качества. Для управления могут использоваться расходы отборов фракций (четыре параметра, т.к. пятый определяется через материальный баланс). Следовательно, число управлений меньше, чем управляемых параметров.

Для задач управления в постановке «Вариант 2» используются ситуационные системы управления,  в основе построения которых лежат логические алгоритмы, в том числе системы с элементами ИИ.

Рассмотрим задачи, возникающие при анализе и синтезе (оптимизации) многосвязных систем.

Выделим следующие типичные задачи:

  1.  выбор управляющих воздействий для каждой выходной переменной;
  2.  анализ силы связности подсистем и влияния на качество управления взаимосвязи между параметрами;
  3.  синтез (оптимизация) многосвязной системы.

пути решения этих задач.

Выбор управляющих параметров проводится на основе анализа функции чувствительности:

i, j=1, m.                                                                                 (3.13)

В качестве управляющего входа выбирается тот, для которого модуль чувствительности  - максимальный. При этом принимается во внимание необходимость отыскания (выделения) управлений для оставшихся параметров.

Вторым фактором, который учитывается при выборе управления,  являются динамические характеристики каналов передачи воздействий – инерционность каналов «управляющий параметр – выходной параметр» должна быть минимальной.

  1.  
    Оценка силы связности подсистем в статике. Метод Бристоля.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

  1.  метод оценки по Бристолю.

 Мера связности по Бристолю определяется по модели объекта в статике в предположении, что АСР устойчива, процессы управления закончились и в АСР установился новый режим. Для системы (2х2), рис. 3.8, можно предложить структурную схему с  переключателями, на основе которой возможна настройка многосвязной системы:  последовательное размыкание контура П2 и настройка контура П1 по у1; затем размыкание контура П1 и настройка контура П2 по у2 и т.д. до получения устойчивого результата по качеству процессов управления.

Рис. 3.8. Структурная схема двухсвязной АСР

Если взаимосвязь между контурами отсутствует (W12 = W21 =0), то описанная процедура приведет к настройке регуляторов в каждой из АСР. Однако, при наличии взаимосвязей (W12≠0,W21≠0)  такой способ настройки управляющих устройств в общем случае может дать плохой результат: система будет иметь плохие показатели качества процессов управления.

Мера связности подсистем определяется по значению элементов матрицы Бристоля

,(3.14)где   ,   (3.15)

значок « ∞» в числителе формулы означает, что берутся разомкнутые контуры (переключатели Пi разомкнуты) для всех каналов объекта;  i, j = ,

а в знаменателе разомкнуты все переключатели кроме j-о канала.

Или:             ,                                  (3.16)

где значок «т» означает транспонирование.

Произведем расчет матрицы Бристоля (на примере системы 2х2, статический объект управления).

      .                                              

 Транспонированная матрица  .                                               

Обратная матрица                                          / ∆,                                   

где     - определитель транспонированной матрицы.

Для случая (2х2) матрица Бристоля имеет следующий вид:

                                        .                                       (3.20)

Свойства матрицы Бристоля:

а) Сумма элементов любой строки и столбца равна 1;

б) Если матрица W(S) диагональная или треугольная, то матрица Бристоля единична и это означает, что система состоит из автономных подсистем. Если это не так, то ничего определенного о связности подсистем в динамике сказать нельзя.

 метод Бристоля достаточен для суждения о связности системы, т.е. если диагональные элементы далеки от единицы, то системы наверняка связаны. Если матрица Бристоля не диагональная, о качестве процессов управления и силе связности подсистем с учетом динамики сказать определенно нельзя.

Рассмотрим пример системы (3х3), рис. 3.9.

Рис. 3.9. Структурная схема трехсвязной АСР

                   

                                                                                                                                 (det=0,588 ,  .

Поскольку матрица Бристоля диагональная, подсистемы можно рассматривать и настраивать как автономные.

Добавим статическую связь от третьей подсистемы на первую с коэффициентом 0.11. Это означает, что в матричной передаточной функции объекта элемент К13 =0,11 (в предыдущем варианте он равнялся 0).      (3.24)         .  (3.25)

Как видно, добавление связи с относительно небольшим коэффициентом усиления резко изменило элементы матрицы Бристоля и подсистемы уже нельзя рассматривать как автономные.

Оценка силы связности по Бристолю может использоваться как метод предварительного анализа на наличие связности подсистем. Метод не требует знания структуры и параметров регуляторов. Это его достоинство. Но для суждения о несвязности или слабой связности необходимо учитывать динамические свойства подсистем. Для решения этой задачи метод не пригоден.

  1.  
    Методы оценки силы связности подсистем в динамике. Сравнительный
    анализ методов. Идея метода проверки диагональной доминантности (Розенброка).

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Для многосвязных систем могут решаться две основные задачи:

- анализ силы связности подсистем при известных моделях объекта, топологии системы, структуре и параметрах управляющих элементов системы;

- синтез топологии системы, синтеза структуры операторов управляющих и компенсирующих связей и оптимизации их параметров.

 Рассмотрим решение первой задачи.

Классический подход к анализу силы связности с учетом динамических свойств системы состоит во введении понятия диагональной доминантности матриц (Соболев О.С.- 1965 г., Rosenbrock H.H.- 1974 г.).

Диагонально доминантной матричной передаточной функцией W(s) размера (n х n),  является такая, для которой

  │Wii(s)│> ξi,,    или  │Wii(s)│> ρi,

   ξi =∑│Wik(s)│,                            к

                                       ρi,  =∑Wki(s)│,     

                                                к

                     ____

где         i, к=1, n .

Суть метода в том, что вместо частотных годографов (s = ), построенных по передаточным функциям или операторам условно автономных подсистем рассматриваются области вокруг этих годографов, размер которых зависит от недиагональных элементов соответствующих матриц.

В комплексной плоскости модули

ξi=│ξi (s) │,            ρi= ρi(s)│            геометрически будут изображаться окружностями с радиусами ρi и ξi, центры которых будут располагаться ствующих частотах) на годографах

Qij () =Wpi () ×Wij ()=B()ii/A()ii                                 (3.32)

– для годографа i-й разомкнутой подсистемы

или  

Ф(jω)ii = Q(jω)ii.[I+Q(jω)] -1ii = Q(jω)ii F-1(jω)ii                                    (3.33)

- для годографа частотной передаточной функции i-й автономной замкнутой системы по задающему воздействию, где Q(S) - матрица передаточных функций разомкнутой системы, которая состоит из элементов вида [Wpi (s) Wij(s)], (i,j=1,2,…,n), Wpi (s) –передаточные функции регуляторов i-й подсистемы, W(s) –передаточная матрица объекта, F(S) – матрица возвратной разности.

Рис. 3.10. Пример годографа i-й .подсистемы

Совокупности кругов при непрерывном изменении частоты образуют области, называемые областями Гершгорина.

Круги образуют некоторую область возможного расположения годографа как верхней оценки величины области с учетом многосвязности АСР. Чем уже эта область, тем меньше взаимная связь.

Недостаток метода в том, что на этапе синтеза системы неизвестны передаточные функции регуляторов. Этим способом можно проверить автономность до ε синтезированной системы, но он не дает рекомендаций, как сделать подсистемы практически автономными.

  1.  
    Метод анализа силы связности сложных динамических систем Вавилова-Имаева.

-------------------------------------------------------

Рассмотрим метод Вавилова А.А.-Имаева Д.Х. [5], который позволяет не только решать задачи оценки силы связности подсистем, но и задачу синтеза или, другими словами, целенаправленного развития системы с тем, чтобы обеспечить приемлемое качество процессов управления многосвязной АСР.

В основе этого метода лежит анализ свойств определителя (в формуле Мэзона для эквивалентных передач в сигнальных графах [5, 12, 53, 32]) условно автономных подсистем в сопоставлении с аналогичным определителем системы с учетом связности.

Пусть имеются две подсистемы С1 и С2 двусвязной системы С (рис.3.11).

Рис.3.11. Граф двухсвязной АСР

Определитель этой системы будет иметь вид:

,    (3.34)

где используются передаточные функции трех разомкнутых контуров:

       (3.35)

Легко показать, что для несвязных подсистем

                (3.36)

где n – число подсистем. Определители подсистем

.                                 (3.37)

Разность определителей системы, состоящей из условно автономных подсистем и системы с учетом имеющихся связей

                                                            (3.38)

. будет характеризовать изменение точек годографа с() за счет взаимовлияния контуров регулирования.

                                          ││                                                     (3.39)

- радиус окружности, имеющей смысл круга Гершгорина при частоте ω.

           Рис. 3.12. Годограф передаточной функции разомкнутой системы

      

Выполнение соотношения (3.40),

                                           │δ∆(jω)/с()│<<1,                                     (3.40)

говорит о том, что влияние взаимосвязи контуров регулирования мало и системы можно считать автономными. Иначе связностью пренебречь нельзя и настройку регуляторов, оценку характеристик системы следует проводить для многосвязной системы

Удобство подхода заключается в том, что исходной посылкой является предположение об автономности подсистем. Это дает возможность провести синтез каждой из подсистем в отдельности, например, получить настройки регулятора для каждой из подсистем. Анализ соотношения (3.40) целесообразно проводить в диапазоне рабочих частот.

Соотношение (3.40) указывает также пути оптимизации системы с учетом многосвязности, в частности, позволяет  провести расчет условий сепаратности подсистем.

  1.  
    Синтез и оптимизация многосвязных АСР. Расчет и реализация условий сепаратности подсистем.

Принципиально при оптимизации или проектировании многосвязных систем с требуемыми свойствами существует три пути.

1. Настройка подсистем  исходя из приемлемых запасов устойчивости системы.

В этом случае путем увеличения запасов устойчивости подсистем в ряде случаев возможно получение приемлемых запасов устойчивости многосвязной системы. Однако, качество процессов управления, а именно показатели быстродействия, могут быть плохими.

2. Достижение выполнения условия (3.40), т.е. автономизация подсистем, путем:

2.1) увеличения значений определителей подсистем за счет изменения коэффициентов усиления передаточных функций разомкнутых подсистем (добротности подсистем); это достигается включением последовательных корректирующих звеньев в подсистемах и их расчетом, например, на основе логарифмических частотных характеристик [53, 54]. Этот метод имеет известные ограничения;

2.2) включения перекрестных компенсирующих связей с целью «развязывания» подсистем.

3. Управление по состоянию.

В частности, достаточно хорошо разработана теория модального управления

«Развязывание» подсистем – один из наиболее часто применяемых приемов сведения задачи синтеза многосвязной системы к синтезу одномерных подсистем. При использовании этого подхода возникают три вопроса: 1) куда включать корректирующие связи? Это топологический этап синтеза; 2) как рассчитать  характеристики связей? Это синтез структуры оператора связи; 3) что делать, если корректирующее звено физически нереализуемо? Это этап реализации и параметрической оптимизация корректирующего звена.

Показано [5], что для достижения наибольшего влияния дуги коррекции на характеристики системы корректирующее звено целесообразно включать между теми точками, где функция чувствительности вида

                                   (3.41)

максимальна, где l=0,1,2,… - номер шага топологического синтеза; l=0 для нескорректированной системы;  Dl-1 – определитель графа системы на предыдущем шаге коррекции ; j, i – номера вершин графа, между которыми подключается дуга коррекции; Фijl-1 – передаточная функция от i к j на предыдущем шаге коррекции системы. Таким образом, дугу коррекции нужно включать между теми узлами (с учетом физической возможности включения звена), где

ij ()|→max, рис. 3.13 а, т.к. определитель системы для всех каналов передачи воздействий одинаковый.

При неоднозначности выбора (рис. 3.13 б)  может использоваться критерий близости функции чувствительности к нулю (3.42).

                                    

а)                                                               б)

Рис. 3.13. Амплитудно-частотные характеристики каналов АСР

                             ,                                                  (3.42)

где w1 и w2 выбираются исходя из существенного для данной системы диапазона частот.

Способ включения, расчет и оптимизация структуры и параметров дуги коррекции для целей развязывания подсистем проводится исходя из критерия близости передаточной функции скорректированного канала к нулю. Это может быть обеспечено двумя путями: 1) включением дуги коррекции в обратную связь к найденному каналу (3.41), т.е. аналогично тому, как это делается для фильтрации возмущений в одноконтурных АСР; 2) включением дуги коррекции параллельно найденному каналу, но с противоположным знаком передачи. В последнем случае используется принцип двухканальности Б.Н. Петрова (см. раздел 3.3). Синтез структуры оператора корректирующей связи проводится путем аппроксимации частотных характеристик Фij () одним из операторов в виде передаточных функций. Может оказаться, что аппроксимируемое звено физически не реализуемо, например,

                              .                   (3.43)

Это звено одним из известных методов [6, 83] будем эквивалентировать передаточными функциями вида:

                                 .                (3.44)

При S = 0 находим статические коэффициенты звена b0 и a0, а, следовательно, коэффициент усиления передаточной функции дуги развязки

                                              .                                    (3.45)

Далее находим Т1 и Т2 на основе решения системы уравнений, составленной исходя из того, чтобы вещественная Re и мнимая Im частотные характеристики (3.44) и (3.43) совпали на некоторой характерной частоте, например, рабочей частоте регулятора.

Задание структуры корректирующих звеньев и расчет параметров может производиться на основе итеративного расчета. Например, сначала находится самое простое статическое корректирующее звено и по функции чувствительности между узлами включения оценивается эффект компенсации. Затем структура корректирующего звена усложняется, например, до интегро-дифференциирующего звена первого порядка, и вновь оценивается эффект компенсации. Так продолжается до тех пор, пока усложнение структуры  будет давать заметное приращение эффекта компенсации.

Может оказаться, что включения одного компенсирующего звена недосточно для обеспечения автономности подсистем. Поэтому на следующем шаге (λ=1 в (3.41)) необходимо провести проверочный расчет степени связности системы. Если соотношение (3.40) вновь не выполняется  осуществляется второй шаг (l = 2) коррекции для скорректированной на первом шаге системы и т.д.

  1.  
    Модели в терминах пространства состояний.

существуют два вида моделей: 1)в терминах «вход-выход»; 2) в терминах «пространства состояний».

Рассмотренные методы анализа и синтеза многосвязных систем базируются на моделях в терминах «вход-выход» и поэтому претендуют на статус инженерных.

Модели в терминах пространства состояний в общем случае являются более информативными, открывают новые возможности анализа и синтеза, но в прикладных задачах применяются реже, т.к. методы, которые на них базируются, существенно более сложны.

Пространство состояний – фазовое пространство, в котором роль переменных, как правило, выполняют выходные переменные и их производные, хотя это не всегда так.

Рассмотрим процедуру получения матриц A и B для уравнения (3.6).

Допустим, имеется двусвязный объект (рис. 16.14), который описывается

                                                        Рис. 3.14

дифференциальными уравнениями:

a2d2y1/dt2+a1dy1/dt+y1=k1U1,

                                             b2dy2/dt+y2=k2U2,                                             (3.46)

                                             c3dy2/dt+y2=k3U1.

 Эквивалентным описанием в данном случае являются передаточные функции W1=W11=k1/(a2×S2+a1×S+1),     W2=W22=k2/(b2S+1), (3.47) W3=W12=k3/(c3S+1), W21= 0.

Введем обозначения:

x1= Y1; x2= x1’; x3= Y2,                                                                         (3.48)

тогда получим систему уравнений

dx1/dt=x2,  

dx2/dt=(-a1/a2)x2+(-1/a2)x1+(k1/a2)U1,                                                     (3.49)

dx3/dt=(-2/(c3+b2))x3+(k3/c3)U1+(k2/b2)U2,    

Из уравнений (3.49) следует

          0       1        0                         0      0

A=  -1/a2 -a1/a2      0            ;  B=   k1/a2   0      ,                                                 (3.50)

          0       0   -2/(b2+c3)              k3/c3 k2/b2

где A – матрица коэффициентов, В – матрица входов или управлений.

Если рассматривается не объект, а система регулирования, то нужно дополнить систему (3.49) описанием регуляторов. Например,

                                       t

             U1=Kp1(x1-y1зд)+1/Т   ∫(x1-y1зд)dt  (ПИ-регулятор) и т.д.

                                       0

  1.  
    Понятия     и     физическая     сущность     понятий     «управляемость», «наблюдаемость», «стабилизируемость», «нормируемость» и т.д.  Методы анализа и обеспечения этих свойств.

Управляемость: система управляема, если существует управление U(t), при котором система переводится из начального состояния Х0 в состояние Хd  

за конечное время. Признаком управляемости является отсутствие нулевой строки в матрице В.

Частичная управляемость: если есть подмножество состояний Х10€Х0, из которых перевод за конечное время невозможен.

Если матрицы А и В  имеют элементами const,  система будет управляема, когда ранг матрицы управления

  rank {Lс(n x n×m)} =n                     Lc=[В½АВ½А2В½½Аn-1B] .                                          

Ранг Lc равен размерности максимального ненулевого определителя блока матрицы.

Условия управляемости по выходу отличаются от вышеприведенного тем, что все матрицы домножаются на С:                                     Lc=[C×B½C×AB½…].                                         

Стабилизируемость: свойство более слабое, чем управляемость и соответствует случаю, когда вещественные части собственных чисел могут  быть сделаны отрицательными.

Нормализуемость: наиболее сильная форма управляемости. Система нормализуема, если каждая координата вектора U в отдельности обеспечивает управляемость. Матрица В должна иметь размер (nxm) и каждый столбец:                                     Lcj=[bj½A×bj½A2×bj½½An-1×bj].

Наблюдаемость означает, что все координаты могут быть получены из Х, т.е. матрица U не должна иметь нулевого столбца.

 Модальное управление, в отличие от идеи автономизации подсистем, не исключает взаимосвязи подсистем, но задает расположение собственных чисел матрицы А системы. Структура системы модального управления (рис. 3.15) включает в себя матричный пропорциональный регулятор (т.е. это, по существу, числовая матрица) и модальный компенсатор, который, собственно, и «разворачивает» собственный вектор в нужном направлении, т.е. служит для «развязки» собственных чисел:

                                                 .

Рис. 3.15. Структура системы модального уравнения.

  1.  
    Построение АСР расхода и соотношения расходов. Реализация,учет шкал при пересчете   настроек регуляторов.

Регулирование расхода продукта в трубе (рис.3.1)

Рис. 3.1. Функциональная схема АСР расхода

АСР называется многосвязной, если изменение одной регулируемой величины влияет на другие регулируемые величины. Например, в ректификационной колонне процессы регулирования температуры низа будут влиять на процессы регулирования температуры верха (или другой точки в колонне) из-за наличия градиента температур и наоборот. В нагревательных печах с несколькими потоками сырья контуры регулирования температур каждого из потоков будут взаимосвязаны через общие элементы печи (топочное пространство, перевал).

методы измерения расхода:

Метод переменного перепада;

Метод постоянного перепада;

Индуктивный метод (измерение расхода электролита);

Кориолисовый расходомер;

Ультразвуковые расходомеры;

Цель – измерение расхода и преобразование в кодовый или электрический сигнал физического значения расхода.

Описание схемы регулирвоания:

Сигнал с датчика поступает в модуль ввода аналоговых сигналов, обрабатывается системой управления и поступает в качестве входа на ПИД-регулятор. Выходной сигнал ПИД-регулятора подается в модуль вывода аналоговых сигналов. Модуль аналогового вывода преобразует этот сигнал в стандартный токовый сигнал 4-20 mA, который через блок искрозащиты (для соответствующих категорий защиты) подается на электропневмопреобразователь. Электропневмопреобразователь преобразует токовый сигнал в пневматический. Этот пневматический сигнал, воздействуя на пневматический клапан, осуществляет регулирование.

При расчете настроек регуляторов необходимо учитывать, что оптимальные расчетные значения настроек Красч включают коэффициенты  усиления ПП, НП, ВП и ИУ. Поэтому, коэффициенты собственно регулятора Крег должны рассчитываться по соотношению

                Крег=Красч/(Кпп Кнп КвпКиу).                                                   (3.1)

    Для агрессивных и (или) легкозамерзающих сред необходимо предусматривать разделительные сосуды, через которые, во избежание повреждения чувствительного элемента датчика, должны отбираться импульсы давления измеряемой среды.

Рис. 3.2. АСР соотношения расходов

Для АСР соотношения расходов (рис. 3.2) пересчет коэффициентов с учетом шкал датчиков (измерительных каналов) проводится на основе следующих соотношений:

Q1*kд1=q1[%] – сигнал, посылаемый в регулятор от первой входной величины,

Q2*kд2=q2[%] – сигнал, посылаемый в регулятор от второй входной величины.

Если необходимо обеспечить соотношение Q1/Q2= Ксо, тогда с учетом введенных обозначений в регуляторе (FFC) должен быть установлен коэффициент соотношения     k=Ксо(kд2/kд1).                      (3.2)

К более сложным, чем одноконтурные АСР, относятся:

1) каскадные АСР;2) комбинированные АСР;3) многосвязные АСР.

примеры – самостоятельно.

14 Давления.

в качестве первичного преобразователя используется тензометрический датчик давления.

15. Уровень в качестве первичного преобразователя используются ультразвуковые, буйковые, гидростатические.

16. температура – термоэлектрический термометр, электрический термометр сопротивления, термометры расширения.


  1.  Каскадные, комбинированные АСР: условия применения, порядок расчета настроек регуляторов и компенсирующих звеньев, примеры применения.

-----------------------------

Каскадные системы являются одним из наиболее распространенных классов АСР. Необходимость их применения обусловлена тем, что многие промышленные объекты характеризуются большим запаздыванием и значительными возмущениями. Одноконтурные АСР при управлении такими объектами не всегда обеспечивают требуемое качество управления.

Назначение, структуру  и особенности каскадной АСР рассмотрим на примере регулирования температуры на выходе печи, рис. 3.3. Задачей регулирования является поддержание заданного значения температуры выхода Твых.

Возмущениями могут быть:

-изменение количества сырья Gс в печь,

-изменение количества Gт и состава Qт топлива в печь,

-погодные условия и т.д.

В силу большой инерционности печи эти возмущения будут вызывать  достаточно большие динамические ошибки по Твых. Использование комбинированных АСР проблематично, т.к. не все возмущения могут быть измерены, да и число их может быть велико.

Идея построения каскадной АСР состоит в следующем. В ряде случаев в объекте может быть выделен промежуточный выходной параметр, который  является: а) либо основным наиболее сильным возмущением, б) либо это параметр, который с одной стороны оказывает сильное влияние на выходную (регулируемую) величину, а с другой сам зависит от возмущений. При этом динамика изменения этого параметра характеризуется существенно меньшей инерционностью, чем выходного параметра.

В рассматриваемом примере промежуточным параметром типа а, оказывающим наиболее сильное влияние на температуру выхода является расход топлива, который может изменяться из-за, например, изменения давления в топливной линии, а параметром типа б является, например, температура дымовых газов (температура перевала печи).

Организуется два контура регулирования: внутренний, стабилизирующий контур регулирования осуществляет поддержание промежуточного параметра на значении (задании, уставке), которое формируется внешним, корректирующим контуром, который обеспечивает достижение цели регулирования – поддержание Твых на заданном значении, рис. 3.4. В силу меньшей инерционности внутреннего контура возмущении, в основном, ликвидируются «на корню», а неидеальность компенсации из-за инерционности внутреннего контура, не полной функциональной зависимости выходного параметра от промежуточного, неточности измерения и т.д., компенсируется за счет работы внешнего контура.

Рис. 3.3. Одноконтурная АСР печи

Внутренний контур – стабилизирующий, Р-1 стабилизирующий регулятор; внешний контур – корректирующий, Р-2 – корректирующий регулятор..

Настройки регуляторов рассчитываются путем декомпозиции каскадной системы на две эквивалентных одноконтурных исходя из гипотезы динамической (частотной) независимости внутреннего и внешнего контуров. Настройки стабилизирующего регулятора рассчитывают по передаточной функции Wоб1 промежуточного объекта (канал «управляющее воздействие - промежуточный параметр»). Настройки корректирующего контура рассчитываются по передаточной функции эквивалентного объекта,

                                          Wэкв=Wоб2/Wоб1,                                                           (3.3)

где Wоб2 –передаточная функция по каналу «управляющее воздействие-выходной параметр».

По сравнению с одноконтурными каскадные АСР обеспечивают следующие преимущества:

  1.  существенное (в 1,5 – 20 раз) улучшение качества управления при отработке возмущений и обычно не значительное (в 1,5 – 2 раза) – при  отработке управляющих воздействий.
  2.  поддержание управляемого (основного выходного параметра, в примере Твых) на заданном значении с высокой степени точности при большом запаздывании основного объекта управления.
  3.  быструю компенсацию возмущений, воздействующих на стабилизирующий (внутренний) контур регулирования, вследствие чего эти возмущения не приводят к большому отклонению управляемого параметра от заданного значения.

Рис. 3.4. Структурная схема каскадной АСР

3.3. Комбинированные системы

Комбинированные системы  используются довольно редко, т.к. для большинства объектов нефтепереработки, нефтехимии и нефтедобычи количество возмущений обычно велико и многие из них не могут быть измерены. В теплоэнергетике достаточно часто для регулирования (стабилизации) уровня в барабане используются так называемые многоимпульсные системы регулирования, которые являются примером комбинированных систем, см. структурную схему на рис.3.5.

Построение комбинированных систем проводится по следующей схеме:

  1.  синтезируется (оптимизируется) АСР, построенная на основе принципа по отклонению;
  2.  рассчитываются структура и параметры компенсаторов; в классе линейных систем – это означает, что рассчитываются передаточные функции компенсирующих каналов Wк(s)исходя из условий обеспечения инвариантности выходной величины к конкретному возмущению.

Для обеспечения физической реализуемости компенсатора применяется принцип двухканальности Б.Н. Петрова, гласящий, что для обеспечения инвариантности выхода Y к возмущению f оно должно распространяться в системе не менее, чем по двум каналам, причем характеристики каналов должны быть одинаковыми, но противоположными по знаку. В случае, когда второй канал распространения возмущения организуется путем воздействия на управляющий вход объекта (рис. 3.5)

Рис. 3.5. Структурная схема комбинированной АСР

это означает, что должно выполняться условие

                                         Wвоб(s) = -Wk(s)*Wyоб(s),                                 (3.4)

где     Wвоб(s)  и   Wyоб(s) – передаточные функции объекта по возмущающему и управляющему каналам.                  

Из данного условия следует, что

                                       Wk(s) = Wвоб(s)/ Wyоб(s).                                     (3.5)

Может оказаться, что Wk(s) является физически (или технически, если не позволяют возможности контроллера) не реализуемым звеном. В этом случае характеристики Wk(s) аппроксимируются  подходящим динамическим звеном с заданной степенью точности. Обычно вначале обеспечивается выполнение условия (3.5) в статике, а затем по частотным характеристикам проводится последовательная аппроксимация интегро-дифференцирующими звеньями,  начиная с первого порядка, до достижения заданной точности.

  1.  
    Ситуационные системы управления: условия и предпосылки применения, идейные основы расчета и реализации, примеры.

3.5 Ситуационная система управления используется в случаях, когда число управлений меньше, чем число управляемых координат. В основе разработки ситуац. системы управления лежит 2-этапная процедура: 1этап –идентификация ситуации; 2 этап – формирование управления: шаг 1 – принятие решения на инициализацию того или иного управления; шаг 2 – формирование интенсивности управления. Идентификация ситуации может производиться на основе анализа логических выражений относительно всех управляемых величин. Составляются правила вида if-then.  

Для записи правил инициализации необходимо обобщить правила относящиеся к одному типу управления, т.е. антецеденты объединить и упростить.

Рис. 3.16. АСР двухпоточной печи

Предположим, что исчезла возможность автоматического регулирования подачи топлива Gt2. Например, клапан необходимо ремонтировать и топливо в печь подается через задвижку байпаса клапана. Возникает вопрос: можно ли регулировать температуры сырья на выходе печи? Ответ очевиден: точно поддерживать температуру сырья правого потока на заданном значении нельзя, но с учетом взаимосвязи выходных параметров (рис. 3.16) можно поддерживать ее в определенных пределах, которые не приводят технологический режим к аварийной ситуации и необходимости останова технологического процесса.

Действительно, если поставить задачу поддержания температур t1 и  t2 в заданных пределах, а не на заданных значениях, можно выделить несколько различных ситуаций и предложить для них правила управления.

Обозначим индексами «+» и «-» допустимые нижние и верхние значения температур. Тогда выделяются следующие ситуации и правила инициализации управления для них:

1)                и  -

это ситуация, когда температуры обоих потоков находятся в заданных пределах и управления менять не надо:

                                        - const 

2)                              &   Р,

где Р=,

                                       - уменьшить.

3)                                     & P

                                      - увеличить.

4)                                    & Q,

где Q=,

                                       - уменьшить.

5)                                     & Q

                                      - увеличить.

6)                                    &

                                     сильно  увеличить.

7)                                   &

                                     - сильно уменьшить.

8)                                    &

Если приоритет по выполнению ограничений на температуры снизу и сверху не установлен, тогда Uconst.

Однако, обычно, повышение температуры рассматривается как более опасная ситуация, чем понижение. Поэтому возможным решением на управлении будет в этой ситуации U↓- уменьшить.

9)                                       & .

Аналогично, как в предыдущем случае либо

                                              Uconst,

если приоритет не установлен, либо

                                              

если известен приоритет.

Идентификация ситуаций (первый этап) может проводится на основе анализа логических выражений вида:

                                                        __

,  = 1,9 - номер правила,

где

=;

=;

;

.

Правила носят название «продукционных» и имеют вид:

«если R то U», где R- антецедент, условная часть правила, U –консеквент, следствие или действие, которое производится при выполнении условной части правила.

                                                                         Таблица 3.1

                            Правила управления                               

№ Ситуации

Антецедент

Консеквент

1

=1

U=0

2

=1

U↓

3

=1

U↑

4

=1

U↓

5

=1

U↑

6

=1

U↑↑

7

=1

U↓↓

8

=1

U↓U=0

9

=1

U↓U=0

Правила принятия решений могут быть сведены в табл. 3.1, где значок «∆» поставлен в связи с тем, что формирование управлений в контроллерах проводится по тактам и на i-м такте после идентификации ситуации Ui=Ui-1+∆U.

Консеквент отражает шаг 1 второго этапа процедуры формирования системы ситуационного управления – принятие решения на инициализацию управления.

Общее число правил для управления процессами нефтепереработки и нефтехимии может достигать десятков или сотен штук и  определяется по формуле [7]: ,(3.54)

где  - количество логических попарно связанных переменных; попарно связанные переменные – это такие, которые определены как признаки нарушения границ одного и того же технологического параметра, например, α1 и α2. Их особенность в том, что они не могут быть одновременно равными 1;

- количество логически независимых переменных.

Важным этапом при реализации правил управления является обобщение правил по признаку «одинаковости» управлений в смысле их структуры. В рассматриваемом примере существует три структурно различающихся управления:

1) Uconst; 2) U – уменьшить (и сильно уменьшить); 3) U –увеличить (сильно увеличить).

Очевидно, антецеденты правил № 1 и, возможно, №№8, 9 могут быть логически объединены, и тогда условия неизменности управления U будет:

R1= .

Аналогично, объединяя правила управления на уменьшение управления №№2,4,7 (возможно, при наличии приоритетов, добавятся правила №№8, 9, но тогда они не должны учитываться при формировании R1), получим

R2=;

Объединение правил на увеличение управления дает антецедент вида

R3=.

Таким образом, остается три правила:

1) если R1 то Uconst; 2) если R2 то U – уменьшить; 3) если R3 то U –увеличить.

При формировании интенсивности управления, т.е. выполнении шага 2 второго этапа процедуры синтеза ситуационной системы управления, возможны два основных подхода:

1)  i – такт работы контроллера, период опроса датчиков и формирования управления, tk -  период квантования, Tu – время интегрирования, Р1=1при U>0, P2=1 U<0. недостаток – не учитывается интенсивность изменения => при больших Ти переходные процессы будут очень длительные. При малых Ти возможна потеря устойчивости системы. При наличии альтернативных управлений может оказаться, что одновременно для сложных условий в зависимости от того, куда отнесли ситуации м/б, что Р1=1 и Р2=1.

2) на основе нечеткой логики: имея логические выражения для Р1 и Р2 можно рассчитать интенсивность следующим образом: а) четкие логические переменные заменяются на функции принадлежности, б) четкие логические операции заменяются на их нечеткие эквиваленты в) подставив в Р1 и Р2 функции принадлежности логических переменных и применив нечеткие расширения, получим значения Р в интервале [0:1] которое можно трактовать как функцию прин-ти правила инициализации 2-х терминов: «оставить без изменения» и «увеличить или уменьшить».

пример:

Наименование нечёткого логического расширения

ab

ab

1

Логическое

min(a; b)

max (a; b)

1 - a

  1.  
    Ситуационное   моделирование:   условия   применения,   идейные  основы расчета и реализации, примеры.

В силу низкой точности и большого объема  информации для оперативного управления не годятся прямые модели. Формальные модели используются только для конкретного аппаратурного оформления процесса, кроме того, возможно появление неоднозначности при оценке ПК, возникает необходимость учета динамики. Объекты в НХ и НП, как правило нелинейные, нестационарные и с характеристиками, сильно зависящими от сырья. Характеристики сырья могут содержать тысячи параметров => получение к-л универс. модели, обеспечив приемлемую точность – нереально. Т.о. для каждого режима, для каждого вида сырья, для каждого набора требований к ПК должна быть отдельная модель. Такой подход – ситуационное моделирование. В рассмотрение вводится множество моделей и факторы влияющие на выбор (задания) ситуации, в том числе факторы, которые измеряются в ранговых шкалах (тип сырья, вид комплекса требований к продукту и т.д.). Ситуационные модели могут использоваться после решения двух подзадач:

1) разработки методов идентификации ситуации;

2) наличия или разработки модели для данной ситуации.

Модель должна учитывать такие требования:

  1.  «гладкость» по значениям ПК при переходе от одной ситуации к другой;
  2.  конкретные значения режимных параметров при отнесении режима к определенной ситуации. Это необходимо для улучшения точности расчёта.

В качестве ситуационных параметров выбираются относительно медленно изменяющиеся параметры (активность катализатора, состав сырья). Затем производиться разбивка на подинтервалы интервалов изменения этих параметров  и выбор базовых точек. Для этого существует два метода:

Логические методы, базирующиеся на алгебрах логики;

Методы на основе оптимизации меры.

Могут быть также  комбинации этих двух методов.

Рассмотрим первый подход.

Предположим, что для задания ситуации достаточно измеряемых параметров q1 ,…, qn таких как расход сырья, боковых отборов, давление, температуры и т.д.

Интервал варьирования каждого параметра q1 ,…, qn (рис. 4.3) делится на подинтервалы с расстояниями между центрами интервалов (базовыми значениями параметров δ1, δ2,   ) порядка 10-15% от базовых значений. По существу, планируется провести линеаризацию модели для того, чтобы уравнения были с одной стороны линейны, а с другой – адекватны объекту с заданной точностью при изменении параметра qi, (i=1,…,n) внутри каждого подинтервала.

                                          

Рис. 4.3. Дискретизация интервалов варьирования переменных

каждому базовому режиму по qi-й переменной ставится в соответствии логическая переменная

                                                   , к=1,2...,                                  (4.7)

где к- число подинтервалов для i-й переменной:

                                             .                        (4.8)

Тогда множество ситуаций будет задано как декартово произведение множества логических переменных.

По структуре алгоритм идентификации - это обычный дешифратор, на выходе которого в двоичном коде задается номер ситуации.

Недостатками логического метода является:

1. Количество уравнений может быть достаточно большим;

2. Не учитывается близость текущей ситуации к базовой.

В то же время, достоинством метода является простота и детерминированный характер идентификации ситуации.

Рассмотрим второй подход.

Для идентификации ситуации вводится в рассмотрение расстояние ρ текущего режима от базовых режимов, например, вида

                                                          (4.11)

(или другая любая другая мера), которое минимизируется путем перебора индексов i, j. Индексы, при которых критерий I будет минимальным, кодируют номер ситуации, ближайшей в смысле критерия I, к текущей.

Недостатками данного метода является:

1. Одному и тому же числу могут соответствовать совершенно разные технологические ситуации.

2. Произвольный выбор меры порождает возможность получения разных результатов идентификации при одних и тех же значения технологических параметров.

По существу, эти недостатки являются проблемой, имеющей много общего с проблемами кластерного анализа.

Достоинством метода является то, что учитывается близость текущего технологического режима (ситуации) к базовым ситуациям.

Возникает вопрос: можно ли совместить достоинства обоих подходов?

Отталкиваясь от логического подхода и вводя вместо операции чёткой логики нечёткие отношения, а вместо булевых переменных нечёткие переменные, покажем, что можно при решении задачи идентификации ситуации совместить достоинства логического метода и метода на основе меры. Заметим, что при вычислении показателей качества по ситуационным моделям их значения должны гладко, т.е. без скачков переменных, изменяться при переходе от одной ситуационной модели к другой.

Как было показано выше, на основе логического метода могут быть получены выражения Ri, i=1,2,….., вида (4.10). Тогда, учитывая возможность «размывания» значений логических переменных и «расширения» логических отношений так как это показано в разделе 16, могут быть получены «нечеткие» значения Ři, i=1,2,….., которые определяют близость текущей ситуации к базовым в относительных единицах в диапазоне [0,1].

Итак, в том случае, когда все параметры измеряются, процедура ситуационного моделирования включает следующие этапы:

1. Каждый параметр разбивается на ряд интервалов  ∆qij (j=1,…mi), таких, что   ∆qij /qб i =(10-15)%, (i=1,…,n),                                       (4.14)

где n – число переменных, через которые задаются технологические ситуации, mi –число подинтервалов для i-й переменной;

2. По каждому параметру qi каждому интервалу ставится в соответствие логическая переменная Sij  ((j=1,…mi ; i=1,…,n),;

3. Из логических переменных составляются четкие логические функции вида (6.10); это может быть сделано алгоритмически: выражения для Rк образуются как логические произведения         Rк=К1 К2…Кn          

                    (-)                      

комплектов Кi логических переменных Sij  (или их инверсий Sij), определяющим ситуацию по i-й переменной (i=1,…,n)

         (-)      (-)             (-)                                                              

         Кi= Si1 Si2 Sim, i=1,…,n.                                                            (4.16)

Всего получится         n

   M=∏mi                                                                                                         (4.17)

                                                   i=1

логических выражений;

4. Логические переменные «размываются», т.е. представляются как нечеткие, логические операции заменяются  нечеткими расширениями и с учетом этого вычисляются значения Rк, к=1,..,М;

5. Для ситуаций, характеризуемых Rк>0, по моделям вычисляются значения ПК (ПТЭЭ) и вычисляется «взвешенное» значение ПК (ПТЭЭ)

Вычисление значений ПК (ПТЭЭ) может проводится по соотношению

Г = ∑( Ři Гi ),       i =1,2,…,                                                               

где индекс i соответствует моделям, для которых Ři  0.


  1.  Формирование структуры ситуационных моделей для расчета показателей качества продуктов, методы расчета (идентификация) параметров.

Общая схема модели для вычисления ПК (ПТЭЭ) имеет вид (рис. 4.2):

Рис. 4.2. Схема моделирования расчета ПК

На рис. 4.2 обозначены: F – вектор измеряемых технологических параметров;V – вектор управляющих параметров; ДК – устройство динамической коррекции и динамической фильтрации; этот блок осуществляет динамическое выравнивание, т.е. приведение к одному временному срезу всех входных параметров, G – показатель качества (ПТЭЭ), F` и V` – векторы F, V после приведения значений их элементов к одному временному срезу, БМ – банк моделей, М – рабочая модель, используемая для вычисления вектора показателей качества G.

Обратные модели – это обычно формальные модели типа «черный» или «серый» ящик, в отличие от прямых, которые являются неформальными, поскольку получаются на основе знания законов и закономерностей процессов в объекте.

Формальные модели – это уравнения регрессии, нейросетевые модели, эвристические (феноменологические) модели и т.д. Расчёт по ним проводится за существенно меньшее время, адаптация таких моделей под конкретный процесс дешевле и быстрее.

Количество характеристик нефтяного сырья таких как ИТК, химический состав, вязкость, плотность, цвет и т.д. может доходить до тысячи параметров. Поэтому получение какой-либо универсальной модели нефтяного сырья, обеспечивающей приемлемую точность расчетов является нереальной задачей.

Наиболее часто используемый прием при моделировании процессов в таких условиях – это разработка отдельных моделей М и банка моделей БМ для некоторых определенных ситуаций в условиях определенности режима, вида сырья, набора требований к ПК, возможно, даже периода эксплуатации объекта. Такой подход к моделированию называется ситуационным моделированием [7].

Рассмотрим в качестве примера модели для вычисления ПК ректификационных колонн с боковыми отборами. Будем считать для определенности, что оцениваются температуры tαj характерных точек ИТК боковых отборов j = 1, 2, 3, 4…... Характерные точки задаются температурами для типичных долей отгона – α  [начало кипения, 1%-ая точка выкипания фракции, 5%-ая, 50%, 95%, 99%, конец кипения].

Вид феноменологической модели для расчета характерной точки - температуры ИТК  для доли отгона α   для j-о бокового отбора:

                                                  (4.1),

где a, b , c, d, e (с индексами α, j) – константы для модели, соответствующей доле отгона α и номеру бокового отбора j;

-температура на тарелке выше тарелки отбора;

-температура на тарелке ниже тарелки отбора;

-  температура на тарелке отбора.

-давление верха колонны.

Это соотношение отражает закономерности связи показателей качества продуктов с технологическими параметрами исходя из теплового баланса.

На основе материального баланса температуры кривой ИТК могут быть вычислены по соотношению:

                        ,                                           (4.2)

где α – доля отгона,  b, в с (с индексами) коэффициенты;

отборы боковых продуктов выше тарелки отбора;

- величина расхода питания на колонну;

-относительный паровой поток.

Подчеркнем, что каждая такая модель разрабатывается для конкретной,  q-й ситуации, (индекс q номера ситуации не проставлен для снижения громоздкости формул), для каждой характерной точки ИТК и для каждого бокового отбора. Всего, таким образом, банк моделей может содержать от нескольких десятков до нескольких сотен моделей.

Теоретически оценка ПК по двум типам (4.1), (4.2) уравнений дает приблизительно одинаковую погрешность. Однако, как правило, расходы измеряются с меньшей точностью, чем температуры, поэтому практически более удобной является первая форма уравнения.

Для вакуумных колонн регламентируемым ПК является вязкость. Предложена [7] ситуационная модель для оценки вязкости вида:

                       .                          (4.3)

Вторым регламентируемым параметром является температура вспышки:

                                         .                                      (4.4)

Для установок риформинга для вычисления октанового числа ситуационная модель может быть принята в виде:

                                                          (4.5)

 

где А - активность катализатора;

G – массовый расход;

tp – температура в реакторе.

При использовании ситуационных моделей возникает ряд вопросов:

1) сколько нужно ситуационных моделей?

2) как устанавливать (идентифицировать) ситуации?

3) как обучать модель, т.е. как получать коэффициенты в этих моделях?

Для ответа на первые два вопроса рассмотрим известные подходы к идентификации ситуаций.

Принципиально различаются две группы методов:

  1.  Логические методы, базирующиеся на алгебрах логики;
    1.  Методы на основе оптимизации меры.

Могут быть также  комбинации этих двух методов.

Отталкиваясь от логического подхода и вводя вместо операции чёткой логики нечёткие отношения, а вместо булевых переменных нечёткие переменные, покажем, что можно при решении задачи идентификации ситуации совместить достоинства логического метода и метода на основе меры. Заметим, что при вычислении показателей качества по ситуационным моделям их значения должны гладко, т.е. без скачков переменных, изменяться при переходе от одной ситуационной модели к другой.

Обучение модели (получение коэффициентов модели) производится на основе наблюдений за процессом, лабораторных анализов, прямых моделей.

20 прод.

Вопросы динамической коррекции

Использование статической модели предполагает динамическую коррекцию технологических параметров с целью приведения их к одному временному срезу, т.е. необходима операция динамического выравнивания параметров.

Рис. 4.8. Модель объекта в терминах «вход-выход»

                                                  

Анализ показывает, что основными возмущающими параметрами, которые приводят к существенному изменению режима работы  ректификационных колонн, т.е. к возникновению динамического режима, являются расход и температура сырья, величины отборов продуктов и орошений. Для процессов деасфальтизации и очистки масел наиболее сильные возмущения вызываются изменением расходов продуктов. Возмущения, со стороны изменения качества сырья, абсорбентов по отношению к базовым значениям могут иметь достаточно большую величину, но, как правило, маленькую скорость. Поэтому при их действии параметры объекта можно принять близкими к установившимся значениям.

При выборе метода динамической коррекции предпочтительны методы параллельной коррекции каналов передачи воздействий. Это связано со следующими обстоятельствами.

Рис. 4.9. Схема последовательной коррекции

При последовательной коррекции ( рис. 4.9 ), если принять m = n, вид оператора WK3 может быть определен из соотношения

                                                           К = WКЗW ,                                            (4.23)

т.е.                

    WКЗ = K W -1 .                                                 (4.24)

Нетрудно показать, что если, например, элементами матричной передаточной функции будут апериодические звенья первого порядка, то элементами W-1 и соответственно WКЗ будут физически нереализуемые передаточной функции, у которых порядок числителя выше порядка знаменателя. Задача динамического выравнивания при параллельной коррекции приобретает следующий вид (рис. 4.10):

Рис.4.10. Схема параллельной коррекции

                                                         К = W + WK3 ,                                         (4.25)

                                                           WK3 = K - W.                                         (4.26)

Нетрудно видеть, что в этом случае элементы передаточной матрицы WK3 будут физически реализуемыми звеньями.

рассмотренная методика позволяет проводить наращивание корректирующих цепей при реализации модели вычисления ПК эволюционно. При этом вначале реализуется статическая часть, далее динамические части для каналов передачи воздействий с наиболее интенсивными и частыми возмущениями. Критерием окончания процесса синтеза корректирующих цепей является стабилизация статистических характеристик оценки ПК по сравнению с результатами лабораторных анализов.

Задача состоит в том, чтобы в любой момент времени для Хi, Yi, принадлежащих одному и тому же временному срезу, они оценивались для состояния, в котором исключено влияние динамики.

Типичными неизмеряемыми параметрами для процессов нефтепереработки являются качество сырья, в каталитических процессах – активность катализатора. Для таких процессов как ректификация, деасфальтизация, депарафинизация  - это внутренние потоки (паровой, жидкостной), качество абсорбента и т.д.

При ситуационном моделировании перечисленные факторы являются, как правило, определяющими для режимов переработки и вычислении значений ПК, поэтому при характеристике ситуаций их необходимо учитывать.

Для моделирования неизмеряемых факторов используются дополнительные модели (прогнозные модели), входными параметрами для которых являются данные, полученные от измеряемых параметров.

Поскольку не измеряемые факторы по определению не могут использоваться в соответствии с вышеизложенной методикой, рассмотрим некоторые подходы к их учету при идентификации ситуаций.

Ставится задача идентификации технологической ситуации, определяемой множеством R входных параметров, множеством Т технологических параметров и ограничений на качество производимой продукции.

Таким образом, решение задачи идентификации технологической ситуации рассматривается как многокритериальная двухэтапная процедура принятия решений.

Можно сформулировать задачу идентификации технологической ситуации и ситуационной модели расчета показателей качества продуктов в условиях неполноты информации о ситуационных признаках (параметрах) следующим образом.

Качество получаемых продуктов (отборов), характеризуемое различными физико-химическими показателями, определяются для аппаратной реализации с известными характеристиками состава сырья режимом переработки.

Рис.4.13. Технологическая схема ректификационной колонны

с боковыми отборами

Рис. 4.14. Кривые ИТК нефтяного сырья

Таким образом, в нефтепереработке режим переработки определяется типом сырья, поступившего на установку, позволяющий определить количество и качество получаемых товарных фракций, и граничные температуры их выкипанияосновной показатель регулирования качества фракций, рис. 4.14.

Кривые ИТК боковых отборов, если разогнать нефтяное сырьё по фракциям, будут задаваться характерными точками ИТК, такими как температуры выкипания tjα долей отгона  α= НК; 0.01; .05;.0.5; 0.95; 0.99; КК; НК, КК – начало и конец кипения соответственно.

  1.  
    Постановка задачи, программная и техническая реализация ситуационных систем управления на примере.

В большом числе случаев ситуационное управляющее устройство относится к классу автоматных моделей комбинационного типа. Моделям такого типа соответствуют системы продукций (правил), порядок использования которых произвольный и каждое правило не связано с постусловиями, изменяющими другими правилами. В этом случае сети Пети представляют собой либо последовательность подсети, либо параллельность подсети.

Отличие параллельного в том, что каждое правило или совокупность могут выполняться на отдельных вычислительных ресурсах. пример такого рода правил – вакуумная колонна с боковыми отборами. будем считать, что используется логические переменные

.  - вязкость

вязкость

- температура вспышки

- 5 фракций.

Номер правила

Антецедент

Консеквент

1

2

16

n

G – Отбор фракции i.

Формально правила независимы, т.е. управляющее устройство комбинационного типа, однако, при большом числе правил могут возникать противоречия формирование управления (консеквенты).

Примечание.

Естественно, таблица должна быть обобщена. Если одинаковые консеквенты антецеденты мона сложить, более того мона обобщить по одному управляющему воздействию, например, для . Все правила, где  нуна увеличивать – сделать одно правило, но качество управления будет плохое, т.к. не учитывается специфика ситуации.

Итак, что касается порядка проверки правил:

Используется принцип самого длинного условия (первым должно выполняться правила, у которого самые сложные антецеденты). Правила выполняются снизу вверх;

Анализ противоречивости. Нуна сочинить сеть Петри. И по ним проводим анализ изменения ситуации.

Условие P – Антецедент

t – Консеквент

В результате прохода по сети получим перечень переходов, которые будут оптимизированы. Каждый переход будет связан с перечнем инициализируемых управлений.

Таблица инициализации:

...

1

0

0

0

0

1

1

...

1

0

1

0

...

...

1

1

После прохода инициализированные переходы проверяем на противоречия. Проверка по столбцам  на соответствие команд для тех строк, которые соответствуют активизированным переходам. Если есть противоречия, то два варианта:

  1.  ничего не делать по этому управлению, а сбегать к технологу.
  2.  С помощью нечеткой логики и переменных, либо с учетом коэффициентов уверенности (если они заданы) взвешивать команды на управление.

Относительно небольшое число задач требует не комбинационных, а последовательственых автоматов.

 

  1.  
    Общие   положения   и   нормативно-документальная   база   обеспечения безопасности производств.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

В 1997 году был принят Федеральный Закон о промышленной безопасности  [61]. Он оговаривает объем и порядок проведения мероприятий по обеспечению безопасности, классификацию технических устройств и объектов с указанием признаков опасности, перечень документации, положения которых необходимо выполнять при проектировании АСУ и ее эксплуатации, порядок экспертизы проектов и т.д.

Организацией, контролирующей выполнение закона, долгое время являлся Государственный горный технический надзор (ГГТН). Госгортехнадзор  разработал ряд Правил обеспечения безопасности взрыво и пожароопасных объектов [40, 41]. Общие правила взрывобезопасности  устанавливают для взрывопожароопасных объектов разбиение технологических объектов на блоки и их категорирование по потенциалу взрывоопасности. Кроме этого, объекты в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), категорируются по пожароопасности.

Основным классифицирующим признаком является потенциал взрывоопасности. Он устанавливает связь уровня опасности с энергетическим потенциалом паров или газов при взрыве. Для этого в Приложении к Общим правилам ПБ 09-540-03, введенных с 2003 г. взамен правил ПБ 09-170-97, рассчитывается приведенная масса паров и газов, которые могут одновременно участвовать во взрыве (приведение осуществляется к энергетическим характеристикам  бензина) и относительный энергетический потенциал взрывоопасности, по ним устанавливается три категории взрывоопасности .

  1.  
     
    Категорирование опасных объектов.

-------------------------------------------------------------------------------------

Проектирование АСУТП производится на с учетом категории взрывоопасности оъектов.

      Общие правила в/о устанавливают для взрывопожароопасных объектов разбиение технол объектов на блоки и их категорирование по потенциалу взрывоопасности. Кроме этого, объекты в соответствии с ПУЭ, категорируются по пожароопасности.

Основным признаком является потенциал взрывоопасности. Он устанавливает связь уровня опасности с энергетическим потенциалом паров или газов при взрыве.  ПБ 09-540-03, введенных с 2003 г. взамен правил ПБ 09-170-97, рассчитывается приведенная масса паров и газов, которые могут одновременно участвовать во взрыве (приведение осуществляется к энергетическим характеристикам  бензина)

                                ,                                  (5.1)

и относительный энергетический потенциал взрывоопасности

                                    .                                           (5.2)

По ним устанавливается три категории взрывоопасности (табл. 5.1)

                     Таблица 5.1 Связь потенциала взрывоопасности с категорией

Категории

Q

m, кг

I

>37

>5000

II

27-37

2000-5000

III

<27

<2000

Блоки – это части технологических установок, которые могут рассматриваться как автономные в смысле взрывоопасности узлы,  поскольку на всех входных и выходных продуктовых технологических линиях этих блоков (в соответствии с Положением о разработке технологического регламента), устанавливаются отсечные клапаны.

Разработка технологического процесса, разделение схемы на отдельные технологические блоки, ее аппаратурное оформление, выбор типа отключающих устройств и мест их установки, средств контроля, управления и противоаварийной защиты при обоснованной технологической целесообразности должны обеспечивать минимальны уровень взрывоопасности технологических блоков, входящих в технологическую систему...

Объем требований к подсистемам обеспечения безопасности (СОБ)  АСУТП  сильно зависит от категорий блоков.

  1.  
    Основные положения ПБ 09-540-03 по методам обеспечения безопасности. 

Для обеспечения безопасной эксплуатации объектов предусмотрены правила по обеспечению штатных режимов работы промышленных установок.

Общими требованиями при разработке технологического процесса являются:

- разделение технологической схемы на отдельные технологические блоки, ее аппаратурное оформление;

- выбор типа отключающих устройств и мест их установки;

- выбор средств контроля, управления и противопожарной защиты производства;

- обеспечение минимального уровня взрывоопасности технологических блоков, входящих в технологическую схему;

- оценка проектной организацией энергетического уровня каждого технологического блока  и определение расчетной категории взрывоопасности;

- обоснование эффективности и надежности мер и технических средств защиты и обеспечения взрывоопасности блока и всей технологической системы.

- категория взрывозащиты принимается на одну  выше, если присутствуют вещества, относящиеся к I и II классу опасности.

- обучение, инструктаж и аттестация персонала;

Нормативные требования к системам автоматизации в соответствии с ПБ 09-540-03.

Пункт 2.1 устанавливает, что разделение технол схемы на технол блоки, выбор технических средств автоматизации и схем ПАЗ должны обеспечивать минимальный уровень взрывоопасности.

Пункт 2.12 разработка компьютерных тренажеров с динамическими моделями процессов и необходимость тренинга обслуживающего персонала.

Пункт 3.12 для объектов 3 категории в/о при реализации систем ПАЗ достаточно использовать  микроконтроллеры, а для объектов 1, 2 категорий требуется вычислительная техника.

Пункт 3.21 обеспечение безопасности, требования к динамическим характеристикам запорной арматуры.

Пункт 3.22, при разделении горючих паров, газов и жидкости предусматриваются средства автоматического контроля и регулирования уровня раздела фаз.

Раздел 4 специфические требования к обеспечению безопасности управления процессами: а) перемещения материалов; б) разделения материальных сред; в) массообмена; г) перемешивания; д) теплообмена; е) химических процессов; ж) процессов хранения и слива-налива.

В колоннах, работающих под разрежением, предусматривается автоматический контроль за кислорода в парогазовой фазе.

Для теплообменников предусматривается контроль и сигнализация взаимного проникновения теплоносителя и техноло продукта.

При организации теплообменных процессов с огневым обогревом, предусматриваются меры и средства контроля возможности образования взрывоопасных смесей.

Кроме того, такие объекты оснащаются:

-системами регулирования заданного соотношения  топлива, воздуха и водяного пара, блокировками поступления воздуха и топлива при прекращении электро- и пневмопитания;

-средствами сигнализации

-средствами контроля за уровнем тяги и автоматического прекращения подачи топливного газа в зону горения при остановке дымососа;

-средствами автоматической подачи водяного пара в топочное пространство и змеевики при прогаре труб.

В резделе 5.3 ПБ 09-563-03 «Трубчатые печи»  должны быть установлены сигнализаторы погасания пламени для многофакельных печей, автономные регулирующие органы для обеспечения безопасности режима пуска.

Запорные органы устанавливаются не ближе 10 м от печи.

Оговаривается перечень блокировочных параметров.

Прогар труб рекомендуется диагностировать по:

  1.  падению давления в сырьевом змеевике;
  2.  по повышению температуры над перевальной стенкой;
  3.  по изменению содержания кислорода в дымовых газах.

Пункты раздела 6.3 ПБ 09-540-03 - резервирование измерений параметров, определяющих взрывоопасность и диагностики состояния технических средств.

Раздел 6.2 - задачи контроля и управления:

  1.  Постоянный контроль за параметрами и их поддержание на заданном уровне.
  2.  Регистрацию срабатывания и контроль работоспособности средств ПАЗ.
  3.  Пост контроль за состоянием воздушной среды в пределах объекта.
  4.  Постоянный анализ изменения параметров в сторону критических значений и прогнозирование возможной аварии.
  5.  Действие средств управления и ПАЗ, прекращающих развитие опасной ситуации (разработка системы мягкого вывода аварийной ситуации на безопасный режим).
  6.  Выбор и реализация оптимальных управляющих воздействий.
  7.  Проведение операций без аварийного пуска, останова и всех необходимых для этого переключений.

Выдача информации о состоянии объекта в вышестоящие системы управления.

  1.  
    Задачи и    методы диагностики неисправностей ТСА,    виды и методы защиты   АТК  от   последствий   неисправностей.   Структура  систем   обеспечения безопасности.

Можно выделить три типичных задачи технической диагностики (ТД):

1) обнаружение факта неисправности (задача 1);

2) обнаружение причины неисправности, т.е. места и вида дефекта (задача 2);

3) прогнозирование возникновения дефекта (задача 3).

Основным условием для большинства методов ТД являются постулирование конечности числа состояний. Считается, что это множество может быть разбито на два подмножества: S1-подмножество исправных состояний и S2-подмножество неисправных состояний. Методы диагностирования основаны на использовании некоторой избыточной информации.

Самый общий принцип диагностики: вводится некоторые избыточные переменные Y2={y2i} и измеряемые переменные Y1={y1i}. Эти два подмножества позволяют сформировать некоторые показатели

                                                     ∆=f{y1,y2},                                        (5.3)

которые с точностью до ε равны 0, если состояния объекта признано работоспособным. Существуют соотношения, которые позволяют выбрать число необходимых дополнительных переменных, при которых осуществляется заданная точность диагностики.

Различают две группы методов ТД :

1) тестовое диагностирование;

2) функциональное диагностирование

                                                                

Рис. 5.4. Классификация методов тестового диагностирования

Рис. 5.5. Классификация методов функционального диагностирования

На рис. 5.4 приведена классификационная таблица методов тестового диагностирования, а на рис. 5.5 - методов функционального диагностирования.

5.5.1 Принципы организации технической диагностики

Диагностика заключается в определении места и причины дефекта.

Существует два основных подхода:

1) Логический: каждому дефекту сопоставляется состояние системы; состояние определяется через дискретные переменные U1…Um, которые характеризуют состояние структурной единицы (СЕ) или элемента объекта диагностирования в терминах “исправно” – “неисправно”. Тогда поиск дефекта сводится: а) к построению логических функций Fj (U1…Um) j=1…n, вычисление которых указывает на причину дефекта; n – возможное число неисправностей; б) организации последовательности проверок πi , i=1,2,… исправности СЕ; в) вычислению значений функций Fj, значения которых определяют наличие и место неисправности.

Функции должны быть ортогональны, т. е. две функции одновременно не могут быть равны единице;

Графический: методы основаны на построении дерева поиска (рис. 5.6), отражающего последовательный, параллельный или комбинированный алгоритм поиска дефекта на основе проверок πi,  i=1, 2, …, дающих результат Sj (j=1,2,…) оценки состояния структурной единицы или системы по значению их выхода.

π1                                      π1                                            π1

S1      π2                        π2         π3                                      π2             

     S2           S3        S1       S2               S3            S1           π4          S4

       S2 S3

                       а)                             б)                                           в)                          

Рис. 5.6. Последовательный - а, параллельный – б, комбинированный –в алгоритмы осуществления проверок

Для разработки алгоритмов диагностики необходимо решить задачи:

1)определения критериев работоспособности; обычно они формулируются на основе так называемых диагностируемых показателей и допустимых граничных значений. В этом случае считается, что нарушения ограничений – признак неисправности;

2)определение методов диагностирования; наиболее часто используются методы, основанные на оценке реакции объекта на выходное воздействие по динамическим и статическим  характеристикам в режиме нормальной эксплуатации (при функциональном диагностировании), либо  на оценке реакции на тестовые воздействия.

Напомним, что отказы разделяют на внезапные (это, как правило, элементные или аппаратные отказы) и постепенные (это, как правило, функциональные отказы, определяемые по критериям снижения эффективности работы изделия).

Применительно к системам автоматизации выделяют задачи диагностики внезапных и постепенных (функциональных) отказов:

1) датчиков; 2) исполнительных устройств (клапанов);  3) регуляторов

а также  4) неисправностей ОУ и  5) неадекватности моделей.

Разобьем задачу обеспечения надежности АТК по уровням следующим образом:

 На первом уровне  - "внезапные"  отказы  элементов АСУ ТП и технологического оборудования. Диагностика отказов и защита от их последствий должна осуществляться в подсистеме ПАЗ.

 На втором уровне - диагностики «постепенных», «функциональных» отказов элементов АСУ ТП и технологического оборудования.( временного резервирования).

 На третьем уровне решаются задачи прогнозирования развития технол ситуаций, диагностирование неадекватности моделей и их корректировка и т.д. Подобные задачи в общем случае могут быть отнесены к классу мониторинговых.

 Защита процесса от последствий отказов осуществляется  методами:

"замораживанием" переменных на значениях, которые они имели до момента обнаружения отказа. ( при отказе типа "обрыв" информационно-измерительных каналов и каналов передачи управляющих воздействий на ИУ, а также при отказе регуляторов);

элементным резервированием. при отказе регуляторов и в особо ответственных случаях - при отказе первичных преобразователей;

функциональное резервирование применяется для защиты от последствий отказов информационно-измерительных каналов вместо "замораживания" переменных;

4) "мягкий" выход из аварийного режима используется при отказе ИУ. В этом случае после диагностирования отказа ИУ включается программа изменения технол режима, чтобы последствия отказа приводили к минимальной потере эффективности производства.

диагностика отказов может производиться техническими средствами нижнего уровня, а защита осуществляться средствами второго уровня.

В качестве показателей надежности при учете внезапных отказов могут использоваться: Р(f) – вероятность безотказной работы, Тот - время наработки до отказа; l - интенсивность отказов. В случае постепенных отказов - показатели надежности восстанавливаемых систем:

КГ – коэффициент готовности;  КТИ – коэффициент технического использования; КОГ – коэффициент оперативной готовности, а также КОД – показатель готовности. Последний показатель, как показано в , позволяет при расчете надежности учесть особенности АСУ ТП, в составе которых функционирует подсистема диагностики.

  1.  
    Классификация методов диагностирования и общие подходы к решению задачи диагностики.

-----------------------------------------------------------------------------------------

Можно выделить три типичных задачи технической диагностики (ТД):

1) обнаружение факта неисправности ;

2) обнаружение причины неисправности, т.е. места и вида дефекта ;

3) прогнозирование возникновения дефекта .

Основным условием для большинства методов ТД являются постулирование конечности числа состояний. Считается, что это множество может быть разбито на два подмножества: S1-подмножество исправных состояний и S2-подмножество неисправных состояний. Методы диагностирования основаны на использовании некоторой избыточной информации.

Самый общий принцип диагностики: вводится некоторые избыточные переменные Y2={y2i} и измеряемые переменные Y1={y1i}. Эти два подмножества позволяют сформировать некоторые показатели

                                                     ∆=f{y1,y2},                                        (5.3)

которые с точностью до ε равны 0, если состояния объекта признано работоспособным. Существуют соотношения, которые позволяют выбрать число необходимых дополнительных переменных, при которых осуществляется заданная точность диагностики.

Различают две группы методов ТД :

1) тестовое диагностирование;

2) функциональное диагностирование

                                                                

Рис. 5.4. Классификация методов тестового диагностирования

Рис. 5.5. Классификация методов функционального диагностирования

Диагностика  определения места и причины дефекта.

Два основных подхода:

1) Логический: каждому дефекту сопоставляется состояние системы; состояние определяется через дискретные переменные U1Um, которые характеризуют состояние структурной единицы (СЕ) или элемента объекта диагностирования в терминах “исправно” – “неисправно”. Тогда поиск дефекта сводится: а) к построению логических функций Fj (U1Um) j=1…n, вычисление которых указывает на причину дефекта; n – возможное число неисправностей; б) организации последовательности проверок πi , i=1,2,… исправности СЕ; в) вычислению значений функций Fj, значения которых определяют наличие и место неисправности.

Функции должны быть ортогональны, т. е. две функции одновременно не могут быть равны единице;

  1.  Графический: методы основаны на построении дерева поиска (рис. 5.6), отражающего последовательный, параллельный или комбинированный алгоритм поиска дефекта на основе проверок πi,  i=1, 2, …, дающих результат Sj (j=1,2,…) оценки состояния структурной единицы или системы по значению их выхода.

  1.  

                         

π1                                      π1                                            π1

S1      π2                        π2         π3                                      π2             

     S2           S3        S1       S2               S3            S1           π4          S4

       S2 S3

Рис. 5.6. Последовательный - а, параллельный – б, комбинированный –в алгоритмы осуществления проверок

Для разработки алгоритмов диагностики необходимо решить задачи:

1)определения критериев работоспособности; обычно они формулируются на диагностируемых показателей и допустимых граничных значений. В этом случае считается, что нарушения ограничений – признак неисправности;

2)определение методов диагностирования; наиболее часто используются методы, основанные на оценке реакции объекта на выходное воздействие по динамическим и статическим  характеристикам в режиме нормальной эксплуатации (при функциональном диагностировании), либо  на оценке реакции на тестовые воздействия.

 отказы разделяют на внезапные (это элементные или аппаратные отказы) и постепенные (это функциональные отказы, определяемые по критериям снижения эффективности работы изделия).

Применительно к системам автоматизации выделяют задачи диагностики внезапных и постепенных (функциональных) отказов:

1) датчиков; 2) исполнительных устройств (клапанов);  3) регуляторов а также   4) неисправностей ОУ и  5) неадекватности моделей.

  1.  
    Методы и алгоритмы диагностирования и защиты от постепенных отказов ТСА.

--------------------------------------------------------------------------------------------   Диагностирование проводится с использованием реляционных моделей, отражающих причино-следственные связи между переменными, а также скоростями изменения переменных. В качестве переменных могут использоваться технологические параметры, показатели качества, технические показатели и т.д.

Исходные модели могут иметь вид когнитивных карт, т.е. некоторого направленного графа с указанием параметров или их скоростей в вершинах и дугами, отражающими в виде операторов связи между вершинами.

Данные модели отражают факт наличия информационной избыточности, которая позволяет выявить неисправности на основе проверки инвариантности некоторых характеристик к изменению параметров объекта диагностирования. Например, значения ПК вычисляемых по моделям вида (4.1) - (4.2) не должны отличаться на некоторую величину, которая может быть рассчитана на основе метрологических характеристик информационно-измерительных каналов и погрешности прогнозирования самих моделей. При этом значения ПК могут изменяться в широких пределах. Невыполнение инвариантности свидетельствует или о возникновении неисправности элементов информационно-измерительных каналов, или неадекватности моделей диагностирования, или изменении характеристик технологического оборудования.

5.5.3.1. Рассмотрим процедуру диагностирования функциональной неисправности (отказов) информационно-измерительных каналов в системе управления вакуумной ректификационной колонной.

Для диагностики используется известная закономерность: градиент температур по колонне изменяется мало по сравнению с температурами

                   ti - (ti1+i)    , i=1,2,….n,                                                (5.5)

где i-номер бокового отбора,  нумерация сверху, n – «количество боковых отборов» + 2, ti –температура на тарелке отбора i-о продукта, i  , i  - константы.

Алгоритм диагностики приведен на рис. 5.8.

Содержательный смысл алгоритма диагностирования: для всех измеряемых температур ti начинает проверяться соотношение (5.5). Если оно выполняется для всех i, то можно утверждать, что все каналы исправны, и осуществляется выход из алгоритма. Иначе, при невыполнении условия (5.5) для некоторого i неисправным является: при уменьшении i (проверка сверху вниз) iй канал, при движении вверх (i)-й канал. Если невыполнение (5.5) происходит на первом же шаге, то порядок проверок инвертируется.

Заметим, что для учета динамики необходимо  включение параллельных корректирующих звеньев, либо,  если возмущения достаточно редки,  можно использовать схему с таймером: сигнал о неисправности запускает таймер. Если после окончания работы таймера сигнал неисправности не был снят, то диагностируется неисправность.

Рис. 5.8

 Диагностирование постепенных отказов каналов измерения расходов может проводиться, например,  на основе проверки инвариантности до e значений ПК, вычисляемых по различным моделям. Расчет показателей качества, как говорилось выше, может производиться как на основе уравнений тепловых балансов, так и на основе уравнений материального баланса, см. Главу 4.

Упрощенные соотношения для расчета  через расходы потоков имеют вид

                                        ( 5.6 )

                             ( 5.7 )

                    ( 5.8 )

          (5.9)

индекс «G» указывает на то, что характерная точка ИТК рассчитывается по расходам    Gi (i=0,4) отборы сверху колонны и четырех боковых погонов, GF - расход сырья в колонне.

Тогда проверка исправности измерительных каналов расходов может быть проведена в следующем порядке:

  1.  Проверяется исправность измерительных каналов температуры. Дальнейшие шаги проводятся только если не нарушается соотношение (5.5).
  2.  Вычисляются .
  3.  Проверяется соотношение

                                             (5.10)

где dG = const; если оно выполняется, то переход к пункту 4, иначе диагностируется неисправность каналов измерения расходов G1или GF.

  1.  Проверяется соотношение

                                             (5.11)

при нарушении соотношения диагностируется неисправность измерения G2.

  1.  Проверяется соотношение

                                             (5.12)

при нарушении соотношения диагностируется неисправность измерения G3.

  1.  Проверяется соотношение

                                             (5.13)

при нарушении соотношения диагностируется неисправность измерения G4.

Если при диагностике измерительных каналов температур или расходов диагностируется более чем одна неисправность, подается сообщение о неадекватности модели, либо неисправности технологического оборудования.

  1.  
    Методы и алгоритмы диагностирования и зашиты от внезапных отказов ТСА.

Основная задача – это диагностика обрывов и коротких замыканий в цепях датчиков  и исполнительных устройств.

При использовании аналоговых токовых сигналов 4-20 мА обрыв имеет место, если ток       I<4мА (20%).                                                     (5.4)      

Для случая обрыва (короткого замыкания) в цепи датчика основным методом защиты от последствий обрыва является “замораживание” выходного сигнала регулятора на значении, предшествующем моменту диагностирования обрыва. Могут применяться также методы аппаратного (элементного) и функционального резервирования, когда используется дублирование датчика или измеряемый параметр оценивается косвенным путем (по модели) соответственно.

Постановка задачи диагностики обрыва и защиты от его последствий может быть в двух основных вариантах:

1) Время сброса сигнала при обрыве до уровня менее 20 % в несколько раз меньше, чем величина периода опроса датчика контроллером. Тогда для диагностики обрыва вполне достаточно проверки условия (5.4).

2) Время сброса сигнала при обрыве сопоставимо или в несколько  раз больше периода опроса, поэтому регулятор может заморозить выходной сигнал на значении, соответствующем сигналу с датчика уже после возникновения обрыва, но до момента начала выполнения условия (5.4).

Для второго случая дополнительно используется информация о скорости изменения сигнала. Если сигнал изменяется быстрее, чем при нормальной работе измерительного канала, можно ввести задержку формирования сигнала с регулятора на n тактов  с тем, чтобы «дождаться» выполнения условия (5.4). Это необходимо в связи с тем, что большая скорость изменения сигнала не обязательно объясняется обрывом Количество тактов задержки определяется исходя из времени переходных процессов в цепи датчика и периода опроса.

Алгоритм диагностики обрыва и защиты от его последствий  может предусматривать процедуру усреднения или безударного перехода от значений сигнала, предшествующих его резкому изменению к сигналу после  

n тактов задержки. На рис. 5.7 приведена блок-схема одного из алгоритмов диагностики обрыва и защиты от его последствий.

Используются следующие обозначения:

Z – логическая переменная - признак неисправности Z=1;

Pi – входная переменная – измеряемая величина процесса;

PR – признак того, что на предыдущем цикле скорость изменения переменной была V  > Vгр, где Vгр переменная, характеризующая максимальную скорость изменения переменной в нормальных условиях;

U – управляющее воздействие;

 j– номер текущего цикла опроса и формирования управления;

Описание работы алгоритма.

На каждом такте проверяется скорость изменения входной переменной. Если она нормальная, то регулятор работает в обычном режиме. Если же скорость превышает норму,  включается счетчик и переменная замораживается на n тактов. Если по истечении n тактов переменная стала меньше 20 % (4 мА) – следовательно, произошел обрыв провода; в противном случае производится сглаживание значений входной переменной от «старого сохраненного» к измеренному значению.

  1.  
    Требования к обеспечению безопасности подсистем ПАЗ для объектов первой и второй категории и методы ее обеспечения.

Для систем противоаварийной защиты объектов, имеющих в своем составе технологические блоки I и II категории опасности, предусматривается применение микропроцессорной и вычислительной техники, а для объектов III категории опасности достаточно применение микропроцессорной техники.

Технологическая система должна быть энергоустойчива, т.е. необходимо предусмотреть независимые источники питания энергией.

Для объектов I и II категории опасности технологическое оборудование размещается в специальных взрывозащитных конструкциях;

Производство оснащается автоматизированными системами управления и противоаварийной защиты с применением микропроцессорной техники, обеспечивающей регулирование процесса и безаварийную остановку производства по специальным программам.

Защита от несанкционированного вмешательства в ход технологического процесса.

В технологических установках I и II категории предусматривается автоматическое управление подачей инертных сред.

для уменьшения количества выброса в окружающую среду горючих и взрывопожароопасных веществ при аварийной разгерметизации системы предусматривается:

для технологических блоков I категории взрывоопасности установка автоматических быстродействующих запорных и (или) отсекающих устройств с временем срабатывания не более 12 секунд.

Для технологических блоков II и III категории взрывоопасности установка

запорных и (или) отсекающих устройств с дистанционным управлением и временем срабатывания не более 120 секунд;

Предусматривается система аварийного освобождения аппаратов, которые оборудуются быстродействующими устройствами с автоматически управляемыми приводами.

Надежность контроля параметров, определяющих взрывоопасность процесса, на объектах с технологическими блоками I и II категории взрывоопасности обеспечивается дублированием систем контроля параметров, наличием систем самодиагностики с индикацией рабочего состояния, сопоставлением значений технологически связанных параметров.

Контроль за параметрами, определяющими взрывоопасность технологических процессов с блоками I категории взрывоопасности, осуществляется не менее чем от двух независимых датчиков с раздельными точками отбора.

  1.  
    Классификация взрывоопасных газов и паров.

-------------------------------------------------------------------------------------------

При проектировании системы АСУТП необходимо выбирать оборудование согласно категории, группе смеси, зоны эксплуатации, типу защиты.

Приводимая ниже  классиф-ция соответствует стандарту ГОСТ 12.1.011-78.

в/о оценивается двумя классификационными признаками:

-категорией смеси;

-группой.

Категория определяется двумя критериями:

  1.  По величине МТВ (min ток (расход)) метана, при котором возможно воспламенение);
  2.  По величине БЭМЗ (max зазор между фланцами оболочки, при котором пламя из одной полости не переходит в в другую).

Для предприятий угольной отрасли категории шифруются кодом, который начинается с римской цифры I, а для остальных – с цифры II.

Устанавливаются три категории взрывоопасности:

II A БЭМЗ >=0.9мм;

II B 0.5<=БЭМЗ <=0.9мм;

II C БЭМЗ <0.5мм.

По МТВ классиф применяется редко, т.к. классиф достаточно 1 критерия.

По группам смеси классиф в зависимости от тем-ры самовоспламенения, которая для газа или паров определяется характеристикой воспламенения с координатами:

  •  энергия, требуемая для воспламенения;
  •  концентрация соответствующего продукта (рис. 5.1).

       Рис. 5.1. Величина энергии воспламенения  в зав-сти от концентрации

У водорода min энергия воспламенения 20мДж, у пропана min энергия воспламенения 180мДж.

Классиф-ция в/о смесей (ГОСТ 12.1.011-78) по группам в зависимости от температуры воспламенения кодируется буквой «Т» с цифрой:

Группы:

В  ПУЭ введено понятие класса взрывоопасности помещения или пространства,  а в ГОСТ 12.1.011-78 этим зонам соответствует знак взрывоопасности:

Зона 0 (класс В-1) помещения, в которых при нормальных режимах могут образовываться взрывоопасные концентрации.

Очень опасная зона, требуются особые меры взрывозащиты оборудования,  часто реализуемые как сочетание двух и более видов защиты.

Зона 1 (класс B-1a) помещения, в которых взрывоопасные концентрации образуются в результате аварий. Достаточно опасная зона, требуются меры  взрывозащиты.

Зона 2 (класс B-1б, В-1г) – наружное пространство от окон и дверей от 0,5м.  до 20 м.(в зависимости от аппаратного и архитектурного окружения зоны). Требуются меры повышенной предосторожности или какой-либо вид защиты.

Используется следующее обозначение типов защиты оборудования

d - взрывонепроницаемая оболочка - по частоте применения на втором месте;

е - повышенная безопасность – принимаются какие-либо меры, которые снижают возможность взрыва;

i - искробезопасная цепь – по частоте применения на первом месте.  В международных стандартах используются также обозначения ,

где i a – вид защиты «искробезопасная цепь»для зоны 0;

i b - для зоны 1.

m - герметизация – возможный источник искры или пламени отделен от взрывоопасной зоны какой-либо герметичной оболочкой.

n- отсутствие искрообразования; виды защиты m, n не стандартизованы в России и некоторых других странах;

p – метод повышения давления (избыточное дав создается внутри );

о – масляное заполнение оболочки;

q – заполнение (кварцевым) порошком;

s – специальная защита, когда применяется отличный от изложенных принцип взрывозащиты, достаточный для ее обеспечения.

  1.  
    Выбор и маркировка взрывозащищенного оборудования.

-------------------------------------------------------------------------------------    

Уровень взрывозащиты аппаратуры определяется как категорией и группой взрывоопасности смеси, так и типом зоны.

Приводимая ниже  классиф-ция соответствует стандарту ГОСТ 12.1.011-78.

в/о оценивается двумя классификационными признаками:

-категорией смеси;

-группой.

Категория определяется двумя критериями:

По величине МТВ (min ток (расход)) метана, при котором возможно воспламенение);

По величине БЭМЗ (max зазор между фланцами оболочки, при котором пламя из одной полости не переходит в в другую).

Для предприятий угольной отрасли категории шифруются кодом, который начинается с римской цифры I, а для остальных – с цифры II.

Устанавливаются три категории взрывоопасности:

II A БЭМЗ >=0.9мм;

II B 0.5<=БЭМЗ <=0.9мм;

II C БЭМЗ <0.5мм.

Классиф-ция в/о смесей (ГОСТ 12.1.011-78) по группам в зависимости от температуры воспламенения кодируется буквой «Т» с цифрой:

Группы:

В  ПУЭ введено понятие класса взрывоопасности помещения или пространства,  а в ГОСТ 12.1.011-78 этим зонам соответствует знак взрывоопасности:

Зона 0 (класс В-1) помещения, в которых при нормальных режимах могут образовываться взрывоопасные концентрации.

Очень опасная зона, требуются особые меры взрывозащиты оборудования,  часто реализуемые как сочетание двух и более видов защиты.

Зона 1 (класс B-1a) помещения, в которых взрывоопасные концентрации образуются в результате аварий. Достаточно опасная зона, требуются меры  взрывозащиты.

Зона 2 (класс B-1б, В-1г) – наружное пространство от окон и дверей от 0,5м.  до 20 м.(в зависимости от аппаратного и архитектурного окружения зоны). Требуются меры повышенной предосторожности или какой-либо вид защиты.

Существуют следующие методы защиты от опасности взрыва:

1. Удерживание взрыва (взрывонепроницаемая оболочка)

2. Изоляция:

а) герметизацией;

б) содержанием искроопасной полости под повышенным давлением;

в) предотвращением возможности искрообразования с энергией, превышающей минимальную энергию воспламенения, т.е. различные процессы ограничения энергии, которая может быть подведена во взрывоопасную зону при нештатном состоянии аппаратуры.

Маркировка взрывозащищенной аппаратуры по российским и международным (европейским) стандартам отличается не значительно:

d - взрывонепроницаемая оболочка - по частоте применения на втором месте;

е - повышенная безопасность – принимаются какие-либо меры, которые снижают возможность взрыва;

i - искробезопасная цепь – по частоте применения на первом месте.  В международных стандартах используются также обозначения ,

где i a – вид защиты «искробезопасная цепь»для зоны 0;

i b - для зоны 1.

Смысл этого вида защиты состоит в  ограничении мощности электрических сигналов, действующих во взрывоопасной зоне, до величин ниже энергии воспламенения;

m - герметизация – возможный источник искры или пламени отделен от взрывоопасной зоны какой-либо герметичной оболочкой.

n- отсутствие искрообразования; виды защиты m, n не стандартизованы в России и некоторых других странах;

p – метод повышения давления (избыточное дав создается внутри );

о – масляное заполнение оболочки;

q – заполнение (кварцевым) порошком;

s – специальная защита, когда применяется отличный от изложенных принцип взрывозащиты, достаточный для ее обеспечения.

Маркировка взрывозащищенной аппаратуры состоит из цифровых и буквенных обозначений. Структура маркировочного кода приведена

на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Маркирование взрывозащищенного оборудования

Для маркировки силового электрооборудования, помимо маркировки по взрывозащите, может быть представлена маркировка по защите от окружающей среды и человека, табл. 5.3. Код защиты состоит из букв IP и двух цифр, первая из которых отражает уровень защиты от механических воздействий, вторая от воды


Таблица 5.3 Маркирование защиты от воздействия окружающей среды

                                      IP**

Защита от механических воздействий

Защита от воды

0 – нет защиты;

1 - защита от твердых тел размера больше 50 мм;

2, 3, 4 - || - меньших размеров;

5 – от пыли;

6 - пыленепроницаемость

0 – нет защиты;

1 – от капель при наклоне до 150;

3 – от дождя;

4 – брызги;

5 – струя воды;

6 – от волн;

7 – при погружении;

8 – при длительном погружении

Пример обозначения: IP 54 – защита от пыли и брызг.

 


  1.  Метод взрывозащиты «искробезопасная цепь», барьеры: общие принципы работы, техническая реализация.

Искробезопасность цепи достигается установкой искробезопасных барьеров При этом ограничивается мощность, которая потенциально может быть подведена во взрывоопасную зону.  Одна из возможных схем ограничения мощности иллюстрируется на рис. 5.3.

Обозначения:

ВОЗ – взрывоопасная зона;

ПЭ – потребитель энергии, например, первичный прелбразователь типа «Сапфир»;

Пр – предохранитель.

На рис. 5.3 обозначены также источник питания ПЭ с напряжением 24 В, три параллельно включенных стабилитрона, схема включения заземления.

В нормальном (штатном) режиме на ПЭ подается напряжение не более 24 В, ток – не более 100 мА (реально – до 20 мА), мощность, потенциально возможная в ВОЗ – не более 2.4 Вт. Если в результате неисправности будет подано, например, 220 В на одну из клемм, образуется цепь (через цепь заземления) высокой мощности. Тогда при нарастании фронта напряжения при напряжении выше 25 В ток через предохранитель Пр возрастет до величины, при которой он перегорит и цепь разомкнется. Считается, что стабилитроны рассчитаны на напряжение порядка 25 В.

К основным недостаткам пассивных барьеров можно отнести необходимость заземления и относительно высокую погрешность, которую создает схема. В более сложных случаях используется активный барьер. В этом случае осуществляется гальваническая развязка входных и выходных цепей барьера, например, с помощью разделительного трансформатора или оптопары. Для преобразования используется дополнительный источник энергии, это недостаток, но зато не требуется заземление и точность преобразования выше.

Рис. 5.3. Принципиальная схема искробезопасного барьера

Осуществляется установкой взрывобезопасного

 барьера. Если даже при малом Uпит есть реактивные элементы, то при размыкании ключа К может  возникнуть искра за счёт ЭДС самоиндукции. Малость тока тоже не даёт гарантии.

Вывод: устройство должно ограничивать мощность:

  1.  
    Задача сигнализации.Переменные, используемые в схеме,выбор уставок, логика и способы реализации схем сигнализации.

Необходима для извещения персонала о ходе технологического процесса.

Параметры для сигнализации бывают

- критические параметры, т.е.  выход за границы установленных пределов – аварийное состояние);

- параметры, ведущие к снижению качества выпускаемой продукции;

- параметры, ведущие к снижению экономической эффективности.

Следует сказать, что сигнализация бывает трех видов:

- предупредительная

- аварийная;

- блокирующая.

Предупредительная сигнализация предназначена для предупреждения персонала о выходе (или приближение к критическому значению)  значения технологического параметра за допустимые пределы.

Аварийная сигнализация предназначена для извещения персонала об аварийной ситуации в технологической системе.

В случае блокирующей сигнализации кроме извещения осуществляется блокировка процесса с выполнением всех предписанных действий по остановке технологической системы.

Системы сигнализации реализуются в настоящее время на микропроцессорных контроллерах с дискретными выходными величинами. Выбор уставок переменных осуществляется на основе данных технологического регламента с коррекцией на метрологические, динамические характеристики приборов (демпфирование, скорость обработки информации и т.п.), скорости нарастания значения технологического параметра.

Иногда систему оповещения предусматривают в несколько уровней, например, при нормальной эксплуатации значение параметра отображается зеленым цветов, при приближении к критическому параметру – желтый цвет, при выходе за допустимые значения – красный цвет.

Физически оценка значения параметра осуществляется с помощью компаратора, на выходе которого получена логическая 1 или 0 в зависимости от входной величины. Все математические вычисления производятся контроллером. Предусмотрена также кнопки квитирования, снятия сигнала.

  1.  
    Задача блокировки.Назначение, принципа построения реализации (напримере печей или других объектов).

Задача блокировки – защита от неправильных действий оператора (нельзя заполнить насос, если температура не нормальная, нельзя его запустить, если нет давления). Реализуется на контроллерах в виде логической схемы. (пример печки).

При построении системы блокировки печи предусматриваются клапана на закрытие подачи топлива в печь, открытие клапанов на подачу водяного пара на паровую завесу, подача водяного пара в  змеевики печи, закрытие клапанов на подачу сырья в змеевики печи, кроме того закрытие и открытие всех этих клапанов может происходить по данным с датчиков качества (анализ дымовых газов), превышение температуры на выходе змеевиков, превышение температуры на перевале печи, превышение давления в змеевиках печи, падение давления в трубопроводе топливного газа, изменение давления перепада печи (отсутствие тяги), погасание пламени.

Контроль за всеми этими параметрами осуществляется независимой системой ПАЗ с датчиками, установленными автономно от основной системы управления.

Реализуется на контроллерах, выбранных в соответствие с группой пожаро-взрывоопасности данного объекта.

Для колонн, емкостей, работающих под давлением может быть предусмотрена блокировка при превышении уровня, давления, температуры внутри аппаратов.

  1.  
    Задачи и реализация систем автоматизации трубчатых печей.

-----------------------------------------------------------------------------------------

Печи должны быть оснащены дежурными горелками, индивидуальной системой топливоснабжения,которые должны быть оснащены сигнализатором погасания пламени.

Нормируется запорно-отсекающая арматура для системы подачи газообразного и жидкого топлива, а для многофакельных печей – автономные регулирующие органы.

Оговаривается порядок пуска печи и все необходимые операции для ее розжига.

Оговаривается перечень блокировок в период пуска печи.  Система автоматической ПАЗ должна быть снабжена противоаварийной сигнализацией параметров и сигнализацией срабатывания исполнительных органов. При организации теплообменных процессов с огневым обогревом, предусматриваются меры и средства контроля возможности образования взрывоопасных смесей. Кроме того, такие объекты оснащаются:

-системами регул заданного соотношения  топлива, воздуха и вод пара, блокир поступления воздуха и топлива при прекращении электро- и пневмопитания;

-средствами сиг о прекращении поступления топлива и воздуха при принудительной подаче;

-средствами контроля за уровнем тяги и автоматического прекращения подачи топливного газа в зону горения при остановке дымососа;

-средствами автоматической подачи водяного пара в топочное пространство и змеевики при прогаре труб.

Кроме того, в соответствии с разделом 5.3 ПБ 09-563-03 «Трубчатые печи»  должны быть установлены сигнализаторы погасания пламени для многофакельных печей, автономные регулирующие органы для обеспечения безопасности режима пуска.

Запорные органы устанавливаются не ближе 10 м от печи.

Оговаривается перечень блокировочных параметров.

Прогар труб рекомендуется диагностировать по: падению давления в сырьевом змеевике;

по повышению температуры над перевальной стенкой; по изменению содержания кислорода в дымовых газах.

Пункты раздела 6.3 ПБ 09-540-03 - необходимость резервирования измерений параметров, определяющих взрывоопасность и диагностики состояния технических средств. Раздел 6.2 - задачи контроля и управления, которые должна решать АСУТП:

Постоянный контроль за параметрами процесса и их поддержание на заданном уровне.

Регистрацию срабатывания и контроль работоспособности средств ПАЗ (это задачи технической диагностики работоспособности ПАЗ).

Постоянный контроль за состоянием воздушной среды в пределах объекта.

Постоянный анализ изменения параметров в сторону критических значений и прогнозирование возможной аварии.

Действие средств управления и ПАЗ, прекращающих развитие опасной ситуации (разработка системы мягкого вывода аварийной ситуации на безопасный режим).

Выбор и реализация оптимальных управляющих воздействий.

Проведение операций без аварийного пуска, останова и всех необходимых для этого переключений. Выдача информации о состоянии объекта в вышестоящие системы управления.

Перечисленные нормы дают представление о перечне вопросов, которые должны решаться АСУТП для обеспечения безопасности.

  1.  
    Задачи и реализация систем автоматизации РК.

а) простые (2 продукта). Задачи нижнего уровня: стабилизация флегмы или стабилизация   температур (коррекцией), либо поддержание tниза (одновременно 2 температуры не регулируются), регулирование уровня,  давлением (сбросом газа/пара). Задачи верхнего уровня: поддержание качества верхнего или нижнего продукта и минимализация затрат при фиксированном качестве.

 б) сложные (с боковыми отборами):регулировать уровень на к-л тарелках, обычно стабилизируются отборы. На верхнем уровне: характеристики ИТК боковых отборов, вязкость, температура вспышки, цвет. СУ – ситуационная.

        Нормативные требования к системам автоматизации, которые определяют объем задач обеспечения безопасности в соответствии с ПБ 09-540-03.

Пункт 2.1 устанавливает, что разделение технол схемы на технол блоки, выбор технических средств автоматизации и схем ПАЗ должны обеспечивать минимальный уровень в/о. Пункт 2.12 устанавливает необходимость разработки компьютерных тренажеров с динамическими моделями процессов и необходимость тренинга обслуживающего персонала.  Пункт 3.12 -для объектов 3 категории в/о при реализации систем ПАЗ достаточно использовать  микроконтроллеры, а для объектов 1, 2 категорий требуется вычислительная техника. Пункт 3.21 оговаривает объем и направления работ по обеспечению безопасности, требования к динамическим харак-тикам запорной арматуры. Пункт 3.22 уст, что при разделении горючих паров, газов и жидкости предусмат-ются средства автоматич контроля и регулир уровня раздела фаз. Раздел 4 уст специфические требования к обеспечению безопасности управления процессами: а) перемещения материалов; б) разделения материальных сред; в) массообмена; г) перемешивания; д) теплообмена; е) химических процессов; ж) процессов хранения и слива-налива.

Для указанных видов технол процессов приводятся конкретные требования к функциям контроля и управления.  В колоннах, работающих под разрежением, предусматривается автоматич контроль за содержанием кислорода в парогазовой фазе. Пункты раздела 6.3 ПБ 09-540-03 - необходимость резервирования измерений параметров, определяющих в/о и диагностики состояния технических средств. Раздел 6.2 - задачи контроля и управления, которые должна решать АСУТП:

1.Постоянный контроль за параметрами и  поддержание на заданном уровне.

2.Регистрацию срабатывания и контроль работоспособности средств ПАЗ (это задачи технической диагностики работоспособности ПАЗ).

3.Постоянный контроль за состоянием воздушной среды в пределах объекта.

4.Постоянный анализ изменения параметров в сторону критических значений и прогнозирование возможной аварии.

5.Действие средств управления и ПАЗ, прекращающих развитие опасной ситуации (разработка системы мягкого вывода аварийной ситуации на безопасный режим).

6.Выбор и реализация оптимальных управляющих воздействий.

7.Проведение операций без аварийного пуска, останова и всех необходимых для этого переключений.

8.Выдача информации о состоянии объекта в вышестоящие системы управления.

Перечисленные нормы дают представление о перечне вопросов, которые должны решаться АСУТП для обеспечения безопасности.

  1.  
    Задачи   и   реализация   систем   автоматизации   насосов   и   поршневых компрессоров.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

ГОСТ 12.1.007-76 «ВВ. Классификация и общие требования безопасности» для перекачки жидкостей I и II класса опасности следует применять герметичные мембранные или центробежные насосы с двойным торцевым уплотнением.

Оговаривается порядок удаления остатков продуктов из трубопроводов, насосов и другого оборудования.

Для высоковязких, обводненных или легкозастывающих продуктов необходимо соблюдать условия, обеспечивающие непрерывность работы, теплоизоляцию или обогрев насосов.

Корпуса насосов, перекачивающих легковоспламеняющиеся и горючие жидкости должны быть заземлены.

Для безопасной эксплуатации насосов Н-101а,101в,101с предусмотрена сигнализация и блокировка на остановку насосов по предельному значению следующих параметров

-Температура подшипников: при температуре более 65оС - сигнализация, более 80оС - остановка насоса.

- Давление уплотнительной жидкости от торцевых уплотнений насосов: при давлении более 3 кгс/см2- сигнализация;

- Температура уплотняющей жидкости от торцевого уплотнения в бачок, более 85оС– сигнализация;

- Уровень в бачке с уплотнительной жидкостью при понижении уровня уплотнительной жидкости ниже 250мм от нижнего сварного шва- сигнализация и остановка насоса;

- Уровень на приеме насосов

Компрессоры

Оговаривается оборудование помещения компрессорной и качество применяемого для смазки масла.

За температурой охлаждающей воды должен быть постоянный контроль с сигнализацией опасных значений температуры и блокировкой в ПАЗ при достижении предельной допустимой температуры.

Контроль, сигнализация и блокировка значения уровня в отделителе жидкости.

Запрещается эксплуатация компрессоров с отключенными или неисправными средствами сигнализации и блокировки.

Температура газа на входе компрессора должна быть выше температуры конденсации газов.

Оговаривается порядок пусковых и ремонтных работ компрессоров.


 

  1.  Предпосылки, задачи и  методы  разработки  интеллектуальных  средств автоматизации.

-----------------------------------------------------------------------------------------

Интеллектуальные системы базируются на знаниях. Можно знание разделить данные   и знания:

1. Внутренняя интерпретируемость- у данных уникальных имен и атрибутов, дающих возможность оперировать с данными как с информационными единицами;

2. Структурированность- у информационных единиц таких свойств как целостность и членимость, существования отношений наследования и т.д.;

3. Связность, которая характеризуется  отношениями:

- отношения структуризации, устанавливают иерархию информационных единиц в структурном аспекте;

- функциональные отношения, устанавливают иерархию информационных единиц в функциональном аспекте;

- казуальные отношения, устанавливают причинно-следственные связи между информационными единицами;

- семантические отношения, устанавливают синтаксические и смысловые правила для вышеперечисленных отношений;

4. Семантическая метрика – устанавливает некоторые критерии близости между информационными единицами или ситуациями;

5. Активность – способность знаний активизировать действия, команды на основе изменений в базе данных.

Различают два типа  знаний:

1) декларативные (концептуальные) знания;

2) процедурные (процедуральные) знания.

 Декларативные знания - это знания, базирующиеся на известных законах, отношениях и рассматриваемые как стабильная, общезначимая часть знаний. Это стабильная часть знаний.

       Процедурные знания – это, как правило, эмпирические знания, отражающие закономерности, присущие предметной области. они могут рассматриваться как переменная часть знаний.

На знаниях формируются некоторые интерпретаторы, которые на основе исходной информации и моделей представления знаний реализуют  механизм вывода заключения (принятие решений).

  1.  
    Продукционные    системы    и    сетевые    модели:    общие    сведения, сопоставительный анализ. 

-------------------------------------------------------------------------------Продукционные системы (ПС) – это структурированные наборы продукционных правил (ПП) + интерпретатор

Продукционные правила имеют вид: PR = <S, N, F, A Þ C, W>,

где S - сфера применения  правила; N - номер или имя правила; F - предусловие применения, A Þ C - ядро ПП; W - постусловие.

 Применения S обозначает принадлежность ПП определенному этапу функционирования ПС или состоянию процесса принятия решения.

активизации F  -переменная или логическое выражение. Когда F - «истина», ядро продукции может быть активизировано. Если F -«ложно», то ядро не активизируется.

Постусловие W описывает, какие изменения следует внести в ПС, и актуализируется только после того, как ядро продукции реализовалось.

Интерпретация ядра может быть различной в зависимости от вида А и С, находящихся по разные стороны знака секвенции «Þ». Прежде всего, все ядра делятся на два типа: детерминированные и недетерминированные.

Секвенция ««Þ» в детерминированных ядрах реализуется с необходимостью, а в недетерминированных - с возможностью.

Наиболее часто в ПС используют детерминированные ПП вида

«если А то С»,

где А и С - логические выражения, которые могут включать в себя другие выражения; А называется антецедентом, С - консеквентом.

ПП могут быть доопределены логическими выражениями, которые имеют место в случае ложности А:

«если А то С1 иначе С2».

Продукционные правила, используемые в СУ, учитывают накладываемые ограничения, а также показатели эффективности, по которым определяются управляющие.

 Достоинствами продукционных систем являются:

- удобство описания процесса принятия решения экспертом ;

- простота редактирования модели;

- прозрачность структуры.

  Модели ПС применимы в случаях, когда:

- не могут быть построены строгие алгоритмы или процедуры принятия решений, но существуют эвристические методы решения;

- существует один эксперт, который способен явно сформулировать свои знания и объяснить свои методы ;

- пространство возможных решений относительно невелико;

- задачи решаются методом формальных рассуждений;

- данные и знания надежны и не изменяются со временем.

 Назначение интерпретатора – для  исходных данных добиться выполнения всех правил путем их перестановки.- решение, которое является устойчивым.

 Особенность баз знаний (БЗ) в том, что отдельные процедуры, могут использовать знания, содержащиеся в других моделях знаний.

Сетевые модели.

СМ – это семантические (смысловые) сети. Их можно трактовать как некоторый граф (матрица, таблица), у которого вершины – это объекты, дуги – отношения между объектами.

Отношение – это процедуры связи между объектами.

Отношение – некоторый набор процедур, правил, описывающий взаимодействие вершин. В результате удается по исходной информации и отношению  между вершинами получить новое знание – результат анализа исходной информации (вывод), проверенный на непротиворечивость и устойчивость в соответствии со структурой сети.

  1.  
    Фреймы и предикаты.

--------------------------------------------------------------------------------------

Фреймы – шаблон, формализованная форма отношений элементов, сценарий. Он состоит из имени фрейма; набора слотов (чистый бланк), имени слота, значения слота.

Фрейм – сценарий с большим числом вариантов, зависящих от наполнения слотов.

Процедура программирования – это заполнение слота исходными данными.

Фрейм  называются экземпляром, если он содержит заполненные слоты.

Фреймы могут взаимодействовать друг с другом- сеть фреймов. Для извлечения данных могут использоваться присоединенные процедуры- подпрограммы, осуществляющие подготовку данных для фреймов. Существует два вида процедур:

процедуры-демоны – активизируется по умолчанию; если начали заполнять экземпляр фрейма, то процедура запускается одновременно;

- процедуры-слуги – активизируется по условию, когда есть необходимость изменить сценарий в зависимости от каких-либо условий.

Получение вывода заключается в поиске и активации такой последовательности фреймов, что полученный для исходных данных экземпляр фрейма является наилучшим (в смысле каких-либо критериев), адекватным ситуации, а решения, которые содержит этот фрейм могут рассматриваться как решение задачи для анализируемой ситуации.

Предикаты

Предикаты – некоторые выражения Р(хi), i=1,…,n, определенные через булевские переменные xi, либо через лингвистические выражения, имеющие смысл «да»,«нет» или «правда», «ложь». В отличие от булевской алгебры в предикатах используется два квантора:

-квантор общности,

-квантор существования.

     Знания предметной области задаются - запись предикатов, которые ставятся в соответствие множество переменных {xi , i=1,…,n}.

Выводом на предикатах- являются формулы, выводимые из системы предикатов с помощью их эквивалентного преобразования с помощью правил вывода. Алгоритм вывода является полным , если формула выводится из аксиом за конечное число шагов. В противном случае остаются открытыми вопросы:

- выводится ли формула вообще?

-если она выводится, то сколько необходимо шагов для вывода?

  1.  
    Нейронные сети.

Нейронные сети - это ячеечная модель мозга.

Все нейронные сети (НС) представляют собой совокупность нейронов, связанных между собой определенным образом. Каждый нейрон имеет несколько входов и один выход. Сигналы с выхода нейрона могут поступать на вход другого нейрона или могут являться выходом НС.

Выход нейрона определяется:  1.значение входа умножается на весовой коэффициент, соответствующий этому входу 2. суммарное значение подается на вход какой-либо нелинейной функции и результат вычисления этой функции становится значением выхода нейрона.

Изменяя веса нейронов, можно изменить сигнал на выходах НС, т.е. происходит обучение  НС.

  Сети могут быть однослойными и многослойными. На входы первого слоя нейросети подаются входные сигналы. С выходов нейронов последнего слоя снимаются выходные данные. Если сеть однослойная - то первый =последним слоем сети. В многослойной сети сигналы с выходов нейронов первого слоя поступают на входы  второго слоя .

 Модели НС могут быть программного и аппаратного исполнения.

НС обладают общими чертами. Во-первых, основу каждой НС составляют простые – однотипные, элементы (ячейки).Каждый нейрон характеризуется своим текущим состоянием, которые могут быть возбуждены или заторможены.

Рис. 6.1. Модель искусственного нейрона

Он обладает группой синапсов – однонаправленных вх связей, соединенных с выходами других нейронов. Аксон – выходную связь  нейрона, с которой сигнал поступает на синапсы следующих нейронов. Синапс характеризуется весом wi.

Текущее состояние нейрона определяется, как взвешенная сумма его входов:

                                 .                            (6.1)

Выход нейрона есть функция его состояния:

y = f(s) (2)

Рис. 6.2. Виды функций активации

а) функция единичного скачка; б) линейный порог (гистерезис); в) сигмоида – гиперболический тангенс; г) сигмоида – формула (6.3)

Нелинейная функция f называется активационной и может иметь различный вид.  наиболее распространенных является f с насыщением- логистическая функция (или сигмоида, т.е. функция S-образного вида):

      .                                    (6.3)

При уменьшении a сигмоида становится более пологой, в пределе при a=0 вырождаясь в горизонтальную линию на уровне 0.5, при увеличении a сигмоида приближается по внешнему виду к функции единичного скачка с порогом T в точке x=0.

Выходное значение нейрона лежит в диапазоне [0,1]. Одно из свойств сигмоидной функции – простое выражение для ее производной.

                                                    (6.4)

сигмоидная функция дифференцируема на всей оси абсцисс. Кроме того, она обладает свойством усиливать слабые сигналы лучше, чем большие, и предотвращает насыщение от больших сигналов.

Рис. 6.3. Однослойный персептрон

Во-вторых,  принцип параллельной обработки сигналов, т.е. объединение большого числа нейронов в слои. При этом обработка взаимодействия всех нейронов ведется послойно.

Теоретически число слоев и число нейронов в каждом слое может быть произвольным, однако фактически оно ограничено ресурсами компьютера или специализированной микросхемы, на которых обычно реализуется НС.

 Основные задачи, решаемые производственными системами с ИИ:

1) На первом (нижнем) уровне:

- разработка интеллектуальных регуляторов (ИР)-для объектов нелинейный, нестационарный.;

-разработка алгоритмов диагностирования внезапных и некоторых видов постепенных отказов элементов  систем.

2) На втором уровне:

- разработка моделей процессов и систем для оперативного управления, диагностики и защиты, расчета показателей качества

- разработка систем принятия решений при большом количестве информации;

- формирование уставок регуляторов с учетом ограничений для режимных параметров и показателей качества;

- программное и адаптивное управление технол оборудованием с использова нием моделей процессов и систем;

- разработка системы поддержки принятия решений в аварийной ситуации.

3) На третьем уровне:

- разработка автоматизир рабочих мест; автоматизир пакеты и системы для проектирования включают средства формирования графических объектов,  средства расчета включая учетные операции (база данных реляционного типа);

- разработка СУ по эконом критериям, включая задачи ситуационного и адаптивного моделир, оптимизации управлений процессами организационно-технического типа, разработку динамических баз данных и знаний.


[0.1] Назначение и основные характеристики  (СКУ), классификация задач управления, обеспечения безопасности, терминология.

[0.2]
2. Концепция построения АСУТП и интегрированных АСУ; программно-техничекая база для решения задач управления и обеспечения безопасности нефтехимических производств.

[0.3] 3.Классификация технологических объектов управления (ТОУ); системные принципы и состав задач при разработке сложных систем управления (на примере технологических процессов нефтепереработки и нефтехимии).

[0.4]
4. Жизненный цикл АСУТП и АТК. Режимы работы автоматизированных технологических комплексов (АТК) и их взаимосвязь.

[0.5]
Задачи управления  и модели подсистем управления нижнего уровня. Автоматические системы регулирования (АСР). Принципы и методы формирования структуры АСР для типовых ТОУ. Выбор структуры АСР, параметров контроля, регулирования, сигнализации, защиты и блокировки (КРСЗБ).

[0.6] Многомерные ТОУ и АСР. Особенности, виды моделей для анализа характеристик, их взаимосвязь. Сравнительный анализ методов управления многомерными ТОУ.

[0.7]
Оценка силы связности подсистем в статике. Метод Бристоля.

[0.8]
Методы оценки силы связности подсистем в динамике. Сравнительный
анализ методов. Идея метода проверки диагональной доминантности (Розенброка).

[0.9]
Метод анализа силы связности сложных динамических систем Вавилова-Имаева.

[0.10]
Синтез и оптимизация многосвязных АСР. Расчет и реализация условий сепаратности подсистем.

[0.11]
Модели в терминах пространства состояний.

[0.12]
Понятия     и     физическая     сущность     понятий     «управляемость», «наблюдаемость», «стабилизируемость», «нормируемость» и т.д.  Методы анализа и обеспечения этих свойств.

[0.13]
Построение АСР расхода и соотношения расходов. Реализация,учет шкал при пересчете   настроек регуляторов.

[0.14] Каскадные, комбинированные АСР: условия применения, порядок расчета настроек регуляторов и компенсирующих звеньев, примеры применения.

[0.15]
Ситуационные системы управления: условия и предпосылки применения, идейные основы расчета и реализации, примеры.

[0.15.0.1] Антецедент

[0.15.0.2] Консеквент

[0.16]
Ситуационное   моделирование:   условия   применения,   идейные  основы расчета и реализации, примеры.

[0.17] Формирование структуры ситуационных моделей для расчета показателей качества продуктов, методы расчета (идентификация) параметров.

[0.18]
Постановка задачи, программная и техническая реализация ситуационных систем управления на примере.

[0.19]
Общие   положения   и   нормативно-документальная   база   обеспечения безопасности производств.

[0.20]
 Категорирование опасных объектов.

[0.21]
Основные положения ПБ 09-540-03 по методам обеспечения безопасности.

[0.22]
Задачи и    методы диагностики неисправностей ТСА,    виды и методы защиты   АТК  от   последствий   неисправностей.   Структура  систем   обеспечения безопасности.

[0.23]
Классификация методов диагностирования и общие подходы к решению задачи диагностики.

[0.24]
Методы и алгоритмы диагностирования и защиты от постепенных отказов ТСА.

[0.25]
Методы и алгоритмы диагностирования и зашиты от внезапных отказов ТСА.

[0.26]
Требования к обеспечению безопасности подсистем ПАЗ для объектов первой и второй категории и методы ее обеспечения.

[0.27]
Классификация взрывоопасных газов и паров.

[0.28]
Выбор и маркировка взрывозащищенного оборудования.

[0.29] Метод взрывозащиты «искробезопасная цепь», барьеры: общие принципы работы, техническая реализация.

[0.30]
Задача сигнализации.Переменные, используемые в схеме,выбор уставок, логика и способы реализации схем сигнализации.

[0.31]
Задача блокировки.Назначение, принципа построения реализации (напримере печей или других объектов).

[0.32]
Задачи и реализация систем автоматизации трубчатых печей.

[0.33]
Задачи и реализация систем автоматизации РК.

[0.34]
Задачи   и   реализация   систем   автоматизации   насосов   и   поршневых компрессоров.

[0.35] Предпосылки, задачи и  методы  разработки  интеллектуальных  средств автоматизации.

[0.36]
Продукционные    системы    и    сетевые    модели:    общие    сведения, сопоставительный анализ.

[0.37]
Фреймы и предикаты.

[0.38]
Нейронные сети.

PAGE  88




1. Кубанский государственный технологический университет КубГТУ ПРИКАЗ ______________2014г
2. модерн і модернізм
3. Правопреемство государств на территории бывшего СССР
4. СОЮЗ РУССКИХ ХУДОЖНИКОВ И МИР ИСКУССТВА В ПЕРИОД ГОСПОДСТВА НОВЫХ НАПРАВЛЕНИЙ Константин Федорович
5. Реферат- Организация сборки прерывателя-распределителя ЗиЛ-130
6. Фразеологизмы в пьесе Чехова Дядя Ваня
7. И.О. участника- или полное название коллектива Номинация
8. Основные этапы развития мировой индустрии питания В эпоху Средневековья получило свое развитие европейс
9. тематического музыкального занятия в средней группе
10. тема Цели и задачи
11. демократия наполняется новым содержание
12. Лабораторная работа ’ 2.html
13. 20 року слідчий посада найменування органу ініціали п1
14. 1680 которому было поручено соорудить водопровод для Лувра
15. Мир как символ жизни.
16. Лабораторная работа 312 Определение внутреннего сопротивления батарейки.
17. Лабораторна робота ’ 6 Вимірювання ваги динамометром Мета уроку- навчитися за допомогою динамометра вимі
18. Test Справедливість ~ це підкорення писаним законам ~ Іustiti est obtempertio scriptis legibus Закон має бути стислим ~ Lege
19. Реферат Темперамент
20. 1 Сущность услуг как одной из форм экономического продукта и товара 7 1