Использование сетей Петри в проектировании и управлении технологическими процессами водоподготовки тепловых электрических станций Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ИНФОРМАЦИОННА. А И ТЕХНОЛОГИИ Е ЭНЕРГЕТИКЕ

Я

УДК 658.52.011:681.3.06

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕТЕЙ ПЕТРИ В ПРОЕКТИРОВАНИИ И УПРАВЛЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ВОДОПОДГОТОВКИ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

Г.Н. МАРЧЕНКО*, И.Р. БАСЫРОВ**, К.И. ДАВЛЕТГАРАЕВ*, И.Г. АХМЕТОВА*

*Казанский государственный энергетический университет,

**ГК НПП им. В.И. Ленина

В работе представлены основные элементы автоматизированного моделирования и управления энергетическими системами с использованием математического аппарата сетей Петри. Данная модель разработана применительно к процессам водоподготовки на тепловых электрических станциях.

Специфика многих производственных систем (ПС) такова, что сотни объектов, территориально распределенных по региону, соединены энергетическими, материальными и информационными потоками и образуют сложную сеть, взаимодействующую с аналогичными. Такие ПС включают десятки вспомогательных производств и функционируют, как правило, в стационарных режимах, но управление ими происходит в дискретные моменты времени и зависит от сложного взаимодействия различных событий на объектах. Такие производственные системы относятся к классу дискретных динамических систем (ДДС). Проектирование и управление ДДС - сложнейшая многокритериальная задача, решение которой немыслимо без компьютерных технологий и математических методов.

В концептуальном отношении эволюция ДДС описывается просто: динамика системы определяется наступлением дискретных событий, меняющих ее состояние. Но при анализе вариантов реализации системы, включающей сотни объектов, легко может произойти комбинаторный взрыв сложности. Из вышесказанного следует, что в настоящее время не существует ни одного подхода к задачам моделирования и анализа ДДС, который был бы удовлетворительным для всех представляющих практический интерес проблем.

С другой стороны, в производственной системе, даже управляемой ЭВМ, управляющие воздействия реализуются человеком-оператором (через устройство, клавиатуру ЭВМ или реальным манипулированием с объектом.). Поэтому АСУ нового поколения должны разрабатываться в рамках концепции новой информационной технологии (НИТ) [1], позволяющей максимально использовать при проектировании, создании и эксплуатации АСУ возможности общения на языке, доступном конечному пользователю - персоналу более низкой

© Г.Н. Марченко, И.Р. Басыров, К.И. Давлетгараев, И.Г. Ахметова Проблемы энергетики, 2003,№ 11-12

квалификации, чем математик-программист.

Из существующих методов (теория средств массового обслуживания, марковские процессы, конечные автоматы) наиболее перспективным направлением является имитационное моделирование. Имитационное моделирование может строиться на разных математических схемах и качество анализа ДДС в большой степени зависит от их выбора. Они должны быть достаточно общими, но при этом отражать внутренние особенности исследуемых систем и определяться не в терминах и задачах, а в виде методик и методологий с собственным инструментарием в рамках НИТ.

Схемы имитации, основанные на теории сетей Петри (СП) [2], выгодно отличаются от других. В сетях Петри изначально заложен системный подход к исследованию ДДС, высокий уровень описания статики и динамики функционирования системы сочетается с компактностью их формулировки (средствами векторной алгебры). СП интуитивно понятны конечному пользователю и удобны для реализации в расах графического интерфейса. Это позволяет создать инструментарий, автоматизирующий процесс моделирования ДДС, основанный на визуальном программировании.

Визуальный язык моделирования и программирования предполагает, что построение программы заключается в процессе синтеза (рисования) некоторой схемы программы из предоставляемых графических примитивов - формируется алгоритм программы. По алгоритму строится исполняемый программный код (ЕХЕ-файл), что гораздо лучше соответствует природе человеческого восприятия, чем методы традиционного, текстового программирования. Авторами была разработана модификация сетей Петри (ДН-сети) [3], проблемно-ориентированная на моделирование функционирования производственных систем, и методика автоматизированного синтеза (МАС) их моделей в виде ДН-сети ПС.

Полное определение ДН-сети имеет следующий вид:

С = < Р, Т, I, О, М, Ь, Т1, Т2>, где Р = {р1,...рп} - множество позиций;

Т = { ^'\ 12'2...1Ш''} - множество приоритетных переходов;

М: Р^ {(ш1,ш2,...шк)| Ш' е {0,1,2,...}, ' = 1,к} и {М(р) | р е Р}, где Ь = {с1, с2,...ск} - множество цветов функционирующих в сети меток -самомодифицируемая функция маркировки СП с цветными метками.

При моделировании ПС множество цветов сети Петри характеризует вид дискретного потока О] = (е1,е2,...е!), е' е {0,1}, ' = 1,/.

Компоненты двоичного вектора цвета с характеризуют наличие конкретного параметра у метки (номенклатуру материала, вид информационного сигнала, энергетического потока и т.п.).

Входная функция I и выходная функция О ДН-сети определяют ее структуру, а значит и структуру моделируемой ПС:

1=(1(1), 1с(1))- входная функция, где 1(1)(1): РхТ ^ {(ш1,ш2,...шк) иМк(р)| Ш'е {0,1,2,...}, '=1,к} — вектор-функция, определяющая кратности дуг по каждому из цветов множества Ь (к — номер цвета); 1с(1)(0: РхТ ^ Ь={с1,с2,...ск} — вектор-функция, определяющая раскраску входных дуг.

Аналогично входной функции I определяется и выходная функция О:

О=( О(1), Ос(1))- выходная функция, где О(1)(1): РхТ^ {(ш1,ш2,...шк) иМк(р)| т*е {0,1,2,...}, '=1,к}; — вектор-функция, определяющая кратности дуг по каждому из цветов множества Ь (к — номер

цвета); Ос(1)(1): РхТ ^ Ь={с1,с2,...ск} — вектор-функция, определяющая раскраску входных дуг.

Кратность дуг функций I и О, задаваемая маркировкой позиции (например,

Ц1)=(М(р)....)), может модифицироваться в зависимости от изменения

маркировки позиции р. Если М(р)=0, то данная дуга отсутствует.

т1 : Т^^ — время срабатывания перехода;

т2 : Р^^ — время задержки метки в позиции.

Функционирование ДН-сети осуществляется следующим образом.

Переход 1 является разрешенным и может сработать по цвету с', если во всех входных позициях перехода 1 количество меток цвета с' не меньше, чем кратность входных дуг !(1)(1), соответствующих данному цвету с' .

При срабатывании перехода 1 маркировка М изменяется по следующим правилам. Из входных позиций удаляются метки цвета с', количество их определяется кратностью дуги !с(1)(1). В выходные позиции помещаются метки разрешенного цвета в количестве, определяемом кратностью выходных дуг О(1)(1): М'Чр) = М'(р) — ^р);

М/(р) = М](р) + О(1)(1,р).

Иначе говоря, через раскрашенную дугу перемещаются лишь те метки, цвет которых соответствует раскраске дуги.

Ядром методики автоматизированного синтеза МАС стал комплекс программ визуального программирования, основанный на графических примитивах ДН-сетей, - система автоматизированного моделирования (САМ) и база СП-моделей типовых аппаратов химической технологии.

Система автоматизированного моделирования реализована на Дельфи и выполняет следующие функции:

1. Визуальное моделирование графа модели. В интерфейс введены основные графические примитивы ДН-сети (позиции, переходы, ориентированные дуги (рис. 1)). Пользователь «мышью» размещает данные примитивы на рабочем экране и формирует фрагменты модели. Затем традиционной в Windows операцией связывания объектов на рабочей поверхности формирует сетевую модель.

2. Синтаксический контроль модели. При нарушении правил построения ДН-сети программный комплекс выдает диагностические сообщения или игнорирует неправильные действия пользователя.

3. Детализация ДН-сети. Вершины графа сетевой модели сами могут быть сетевыми моделями, необходимо лишь их описать как типовые объекты их базы «СП-шаблонов» САМ. САМ по данному описанию вставляет в вершины графа соответствующие «СП-шаблоны» из базы сетевых шаблонов ДНХТС. САМ дополнена также специальными скриптами, позволяющими в режиме диалога дополнять описание ДН-сети, в частности описанием приоритетности переходов, цвета меток, раскраски дуг и т.д.

4. Отладка сетевой модели (редактирование, оценка адекватности). Реализуется пошаговое выполнение ДН-сети, позволяющее оперативно корректировать и исправлять сетевую модель.

5. Трансляция сетевых моделей в машинный код. Создание ехе-файла, позволяющего рассчитать технико-экономические показатели и мощность смоделированного производства.

Рис. 1. Экранные формы САМ

Подсистема позволяет также формировать и изменять на экране сетевую модель, записывать ее в специальном формате во внешнюю память и считывать из нее, конвертировать графическое изображение сетевой модели в файл *.Ьтр, в аналитическое описание на принтере или в файле и в компьютерноориентированное представление - формализованное описание ДН-сети в виде файла, удобного для использования в программном обеспечении и АСУТП.

МАС-САМ была апробирована авторами при проектировании схемы процесса водоподготовки на ТЭС. Технологическая схема представлена на рис. 2.

спуск спуск

промывочной отмывочной

волы волы

Рис 2. Технологическая схема водоподготовки ТЭС 1-осветлитель; 2-промежуточный бак; 3-механический фильтр; 4-цепочка фильтров (НП, Щ, ОН1, Н2, ОН2); 5-фильтр смешанного действия (ФСД); 6-насос; 7-подогреватель

Рассматриваемый технологический процесс включает трехступенчатую очистку воды: удаление взвешенных веществ и коллоидных примесей

(коагуляцию) в осветлителе и механическую очистку воды; обработку воды методом ионного обмена (катионирование и анионирование) в ионитных фильтрах; дополнительную очистку воды в фильтре смешанного действия, загруженного катионитом и анионитом.

Средствами САМ была построена сетевая модель технологического процесса водоподготовки ТЭС. Процесс моделирования состоял в «рисованиии» мышью графических примитивов и скриптов моделирующей сети. В результате получена сеть (рис. 3), топология которой отражает аппаратурное оформление техпроцесса до нужной в рамках постановки задачи детализации.

Рис. 3. Модель в виде СП процесса водоподготовки ТЭС

Подача воды на осветление моделируется позицией-источником р1, связанной с переходом 11, который интерпретируется как вход осветлителя; кратность дуги определяет объем загружаемой в осветлитель порции воды.

Осветлитель описывается фрагментом {р2-р5}и{11-14}. Здесь 11 и 12 — входы аппарата: р2 и р3 — аппаратные позиции, соответствующие состояниям загрузки аппарата, 13 — переход, моделирующий процесс обработки воды в осветлителе, время задержки меток в нем соответствует времени обработки. Позиция р4 моделирует состояние разгрузки аппарата, а переход 14 — его выход. Промежуточный бак моделируется СП-фрагментом вида {р6-р7}и{14-15}.

Маркировка сигнальной позиции р7 — у2 указывает емкость бака.

Система фильтров, включающая механический фильтр, цепочку фильтров (Нп, Н1, ОН1, Н2, ОН2) и ФСД, моделируется фрагментом {р8-р23}и{15-113}. Процесс очистки воды методом ионного обмена моделируется последовательным срабатыванием цепочки переходов 15-111. Маркировка сигнальных и аппаратных позиций р8-р20 определяет правильную последовательность срабатываний данных переходов и указывает состояние каждого из аппаратов цепочки соответственно. Позиция р21 моделирует запорную арматуру на входе. Маркировка позиции р22 определяет момент начала регенерации фильтров. Данный процесс моделируется последовательным срабатыванием переходов 112 и 113. Сборник очищенной воды моделируется позицией-стоком р24. Кратность входной дуги этой позиции у3 соответствует производительности системы фильтров.

Более подробное ознакомление с основами сетей Петри позволит слабо подготовленному пользователю строить модели функционирования сложных

систем с использованием имитационной модели созданной САМ в сооответствии с концепцией новой информационной технологии, а также позволит рассчитать и проверить значительное число вариантов проекта производственной системы.

Summary

In work basic elements of the automated modeling and management of power systems with use of the mathematical device of Petry's networks are submitted. The given model is developed with reference to processes of water-preparation on thermal power plants.

Литература

1. Поспелов Г.С. Искусственный интеллект - основа новой информационной технологии. -М.: Наука, 1988. - 280с.

2. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем. -М.: Мир, 1984.

3. Басыров И.Р. Расширение сетей Петри, проблемно ориентированное на моделирование многоассортиментных производственных систем//Ученые записки КФЭИ, выпуск 16. - Казань, 2001. - С.177-182.

Поступила 20.09.2002