CC BY
27
показан на рис. 3. Проведя построения, аналогичные указанным выше, получим аппроксимацию. Если провести расчеты для наихудшего случая, т. е. для максимально допустимого ветра, то полученную аппроксимацию можно использовать для обоснования параметров рабочей зоны внимания. При наличии на борту устройства, позволяющего обнаружить сдвиг ветра и оценить продольную составляющую скорости ветра, следует соответствующим образом изменить параметры ЗП. Один из вариантов реализации такого способа построения рабочего пространства предложен
СПИСОКЛ
1. Бабуров, В.И. Принципы интегрированной бортовой авионики [Текст]/В.И. Бабуров, Б.В. Папоморенко.-СПб.: Агенство «РДК-Принт», 2005.-448 с.
2. TSO-C151a Terrain Awareness and Warning System [Электронный ресурс] www.rgl.faa.gov
3. СРПБЗ. Руководство по технической эксплуатации, ВНИИРА «Навигатор» [Текст]
4. Патент №US 5839080 от 1998.11.17 Terrain
в [6]. Подобная перестройка ЗП позволит, с одной стороны, повысить достоверность оценки угрозы, а, с другой стороны, снизить уровень псевдоложных тревог.
Проведенный анализ характеристик СРПБЗ и предложение по построению рабочего пространства позволяют усовершенствовать характеристики эксплуатируемых систем и, тем самым, повысить безопасность полетов.
Автор выражает благодарность А.И. Красову за помощь при подготовке статьи.
awareness systems [Электронный ресурс] www. freepatentsonline.com
5. Филатов, Г.А. Безопасность полетов в возмущенной атмосфере [Текст]/Г.А. Филатов, Г.С. Пумино-ва, П.В. Сильвестров.-М.:Транспорт, 1992.-272 с.
6. Патент №RU 2297047 от 2005.08.03. Способ обнаружения и предупреждения угрозы столкновения воздушного судна с препятствиями подстилающей поверхности [Электронный ресурс] www.fips.ru
УДК 621.316.72
М.Б. Гузаиров, А.П. Костюкова
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ РИСКАМИ СЛОЖНОСВЯЗНЫХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ
Вопрос управления рисками сложнонагру-женных плавильных объектов (СПО), в частности, индукционных тигельных печей, достаточно подробно освещен в отечественных и иностранных публикациях [1-3]. Предпочтения российских предприятий и подобных предприятий в странах СНГ, занимающихся плавкой металлов, сводятся к диагностике СПО и в меньшей мере - к его автоматизации. Общие требования по безопасности промышленных объектов установлены Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», где немалая роль уделяется технической диагностике. Уровень безопасности плавильного модуля связан с его техническим состоянием, а также с режимами и условиями эксплуатации. Данные о выявленных дефектах технического состояния
собираются, анализируются и служат основой для принятия решения о корректирующих воздействиях. Так обеспечивается обратная связь, замыкающая контур при управлении рисками на предприятии, занимающемся плавкой металлов (рис. 1).
В плавильной печи, равно как и в другом сложнонагруженном объекте, характер протекания процессов во времени является непрерывным, а период использования - регулярно-постоянным или регулярно-периодическим. Такой объект должен диагностироваться в рабочем режиме, причем непрерывно. Поэтому наиболее целесообразно рассмотрение печи в процессе изменения ее состояния во времени с применением статистических и вероятностных оценок. Такой процесс описывается кортежем X = (Т, S, Г), где 5" - про-
Внешние потоки информации (Государственные и отраслевые стандарты, обзоры технической литературы, техническое задание)
Информационный корректирующий поток (дефекты изделия)
Подсистема идентификации состояния СПО (оценка надежности и угроз безопасности)
Информационный поток обратной связи
Система управления
рисками
- Управляющий поток информации (оперативные решения)
Объект управления (СПО)
31
Промышленный продукт
Подсистема мониторинга (измерительная система)
Рис. 1. Система управления рисками
странство состояний; Т - множество моментов времени изменения состояния; Е - траектория процесса (F:T^S).
Динамическая модель процесса функционирования СПО может быть представлена в виде ориентированного графа состояний (рис. 2). В процессе функционирования плавильного модуля выделяются четыре состояния: 1 - первоначальное и последующие работоспособные состояния модуля, в которых вероятность безотказной работы составляет величину Р(тТ), где т - номер плавки, Т - продолжительность одной плавки;
2 - простой, когда плавка в печи не ведется, а поддерживается постоянная температура 300-400 °С;
3 - состояние, в которое переходит модуль при обнаружении отказа диагностической системой с вероятностью О (контролируемый отказ); 4 - тупиковое состояние (неконтролируемый системой диагностирования отказ с вероятностью наступления 1-О).
Данный граф представлен в виде системы взаимосвязанных дифференциальных уравнений (модель Маркова) [1], описывающих процесс функционирования модуля в терминах вероятностей Р() пребывания системы в предопределенных состояниях S¡, указанных выше, и при заданных начальных условиях Р/0), соответствующих состоянию системы в начальный момент времени.
Соответствующая этой модели система уравнений выглядит следующим образом:
dP.it)
Л
¿РМ)
dP.it) Л
=£> •№>!со-над, =(о-ад (о,
где Р() - вероятность нахождения элемента в состоянии i (/ = 1,4); X - интенсивность (частота) отказов модуля; ц - частота восстановления футеровки модуля. К данной системе также должно быть добавлено условие нормирования:
Рис. 2. Граф состояний, отражающий процесс функционирования плавильного модуля
I р с)=1
1=1
и начальные условия Р1 (0) = 1 и р. (0) = 0(1 = 2,4), соответствующие пребыванию системы в рабочем состоянии в начальный момент времени. При определении параметров поставленной задачи (X - интенсивности отказа, ц - интенсивности восстановления после отказа, О - вероятности своевременного предупреждения об отказе и Х0 - частоты простоя и плавки) СПО рассмотрен как совокупность взаимосвязанных элементов. Отказ одной из подсистем вызывает выход из строя другой.
Основная проблема при эксплуатации СПО -износ футеровки вследствие высокой температуры расплава и реологических процессов, происходящих при плавке, с чем связано подавляющее большинство отказов. Кроме того, поскольку срок службы большинства подсистем СПО значительно превышает срок службы футеровки, то оценка вероятности отказа СПО выполняется с учетом интенсивности отказов только футеровки. Зная, что одна футеровка служит 80-100 плавок,
а ремонт длится около 14 ч, имеем X = ^ -¡-йп =
80 100
= 0,0125 - 0,01 ч-1, а ц = ^ = 0,0714 ч-1.
В условиях поставленной задачи процесс функционирования СПО рассмотрен в виде системы управления [6], и анализ произведен при помощи автоматизированных средств анализа (рис. 3).
Для приведенной выше системы были рассмотрены такие случаи, как отсутствие системы диагностирования (О = 0), работа системы диагностирования на штатном уровне (О = 0,5), система диагностирования (О = 0,8), выполняемая с помощью волоконно-оптических систем . Полученные вероятности безаварийной работы и выхода печи из строя представлены на рис. 4 а, б, в для каждого случая соответственно.
Анализ полученных результатов показывает, что при отсутствии системы диагностирования вероятность возникновения аварии становится высокой уже на 20-30 плавке. Применение штатных средств диагностирования, предупреждающих не более 50 % отказов, не ведет к увеличению вероятности безотказной работы в краткосрочной перспективе. Такие системы диагностирования основаны на измерении усредненной температуры футеровочного слоя или измерении его усредненных температурозависимых электромагнитных характеристик, что не способствует
Рис. 3. Эквивалентная структурная схема процесса функционирования печи
высокой точности диагностирования. Срабатывание подобных систем диагностирования на отказ возможно как при критическом износе, так и при равномерном некритичном прогорании футеровки, который не ведет к аварии.
Недостатки указанных систем требуют модернизации комплексов с использованием средств, позволяющих измерять абсолютную температуру печи. Наиболее оптимальными в этом отношении являются оптические средства измерения [3], т. к. измеряемые в данном случае зависимости носят характер степенной функции четвертого порядка от температуры (в отличие от применяемых методов, когда измеряемая зависимость имеет второй порядок), т. е. обладают большей чувствительностью [4]. При модернизации систем диагностирования необходимо предусмотреть возможность локализации и идентификации места прогара, автоматического архивирования информации о ходе плавки, учета различных характеристик СПО и процесса плавки. Таким образом, к аппаратным средствам измерения температуры добавлено программное обеспечение [4-6], выполняющее такие функции, как
локализация места прогара или риска; прогнозирование состояния футеровки, предупреждение о необходимости ремонта или возможности возникновения аварии;
контроль, динамическое отображение на экране дисплея и регистрация в течение плавки основных параметров процесса (мощности, подводимой к печи, напряжения и частоты на выходе преобразователя, температуры и давления в различных точках охлаждающей системы, температуры на поверхности СПО, времени начала и длительности плавки);
состояние (включенное или выключенное) механизмов и устройств СПО;
а)
\ Сни жение веро« аварийной р пн ости Р4
-1- эез. а боты —^
Р1
О 50
30-40 плавка
100
150
200
и ч
О 50
20-30 плавка
100
150
200 ч
±0,8
0,6 Р
0,4
0,2
Р1
РА
50
100
150
200
Ь ч
Рис. 4. Вероятности безаварийной работы (Р1) и выхода из строя (Р4) при: а - отсутствии системы диагностирования; б - системе диагностирования, основанной на измерении усредненной температуры;
в - предлагаемой системе диагностирования
документирование хода процесса плавки в виде журнала событий.
Отличительные признаки предлагаемой системы диагностирования в сравнении с существующими:
• использование теплового изображения как основного диагностического параметра увеличивает точность определения состояния футеровки печи и позволяет осуществлять локализацию области риска в отличие от аналогов, использующих измерение усредненной температуры;
• размещение датчиков на поверхности печи повышает мобильность системы диагностирования, позволяет устанавливать ее на любую печь во время проведения планового ремонта и улучшает ремонтопригодность самой системы диагностирования и увеличивает срок ее службы в отличие от аналогов, где датчики впекаются в футеровку печи или прикрепляются к индуктору либо измеряют температуру воды в системе водоохлажде-ния и повреждаются в случае аварии;
• применение волоконно-оптических датчиков для регистрации теплового изображения позволяет увеличить помехоустойчивость системы и обеспечивает компактность устройства слежения в отличие от термоэлектрических датчиков температуры и оптических аналогов;
• автоматическое принятие решения о необходимости ремонта, возможности возникновения аварии в отличие от аналогов, в которых это решение возложено на оператора;
• прогнозирование состояния футеровки индукционной тигельной печи;
• документирование хода плавки.
Планируемый экономический эффект от внедрения системы диагностирования включает снижение энергопотребления, увеличение срока службы печи, снижение вероятности возникновения аварии и снижение затрат на восстановление после аварийных ситуаций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федоров, Ю.Н. Основы построения АСУТП взрывоопасных производств.-М.: СИНТЕГ, 2006.-Т. 2.-632 с.
2. Чепайкин, А.А. Система контроля и регистрации параметров индукционной плавильной установки [Текст]/А.А. Чепайкин, Н.Р. Закиров, А.В. Никтин, [и др.]//Изв. Академии инженерных наук имени А.М. Прохорова; Под. ред. Ю.В. Гуляева.-М.-Н. Новгород: НГТУ, 2005.-Т. 15.-С. 102-105.
3. Калявин, В.П. Надежность и диагностика электроустановок: Учеб. пособие [Текст]/В.П. Калявин, Л.М. Рыбаков.-Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2000.-348 с.
4. Костюкова, А.П. Компьютерная термографическая система для неразрушающего мониторинга индукционных тигельных печей [Текст]/А.П. Ко-стюкова//Информационные технологии в науке и
образовании: Междунар. науч.-практ. Интернет-конф.: Сб. науч. тр.-Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУС», 2009.-С. 108-111.
5. Гузаиров, М.Б. Построение информационных моделей измерений в задачах идентификации и диагностики электрических плавильных элементов [Текст]/ М.Б. Гузаиров, А.П. Костюкова//Проектирование инженерных и научных приложений в среде МАТЬАВ: IV Всерос. науч. конф.: Сб. науч. тр.-Астрахань: 2009.-С. 589-590.
6. Гузаиров, М.Б. Мониторинг и диагностика как элементы систем управления техногенными рисками при эксплуатации многосвязных плавильных элементов [Текст]/М.Б. Гузаиров, А.П. Костюкова//Информа-ционные технологии в науке, образовании и производстве ИТНОП-2010: Матер. IV Междунар. науч.-техн. конф.-Орел: ОрелГТУ, 2010.-Т. 3.-С. 152-159.
УДК 681.3 (075.8)
Н.В. Ростов
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ РЕГУЛЯТОРОВ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Синтез систем автоматического управления (САУ) с линейными регуляторами обычно проводят по линеаризованным моделям частотными или алгебраическими методами. Но после синтеза параметры регуляторов часто приходится корректировать с использованием нелинейных моделей САУ, учитывающих ограничения, присущие реальным системам. САУ с нелинейными регуляторами (релейными, квазиоптимальными по быстродействию и др.), как правило, требуют
оптимальной настройки параметров итерационными численными методами.
Задачи оптимизации нелинейных САУ могут формулироваться как задачи однокритериальной (скалярной) либо многокритериальной (векторной) оптимизации (рис. 1).
Наиболее просто настройка параметров регуляторов осуществляется методами скалярной оптимизации, но более корректным является применение многокритериального подхода, базирующегося на
Параметрическая оптимизация САУ
Рис. 1. Варианты задач оптимизации
