CC BY
28
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
УДК 681.3.06; 66.013; 614.84
ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ НА ОСНОВЕ НЕЧЁТКО-ОПРЕДЕЛЁННЫХ ДИСКРЕТНЫХ
МОДЕЛЕЙ
С.Р. Бакасов, И. Е. Кириллов, Н.А. Тоичкин, А.Е. Пророков,
В.Н. Богатиков
В статье рассматривается подход к построению систем обеспечения технологической безопасности промышленных процессов на основе применения теории нечётких множеств. Для оценки состояния технологического процесса вводится понятие индекса безопасности, рассматривается структура системы управления, как организационно-технологическая система принятия решений.
Ключевые слова: безопасность промышленных процессов, нечеткая система управления.
В работе под безопасностью функционирования технологического процесса понимается свойство технологической системы выполнять свои функции без нанесения ущерба [1]:
окружающей среде;
здоровью людей работающих в сфере производства;
оборудованию и системе управления (СУ); а также, вызывать какие-либо нарушения регламента ведения процесса по технологическим причинам, способные повлечь за собой вышеназванные составляющие ущерба.
Технологическая безопасность интерпретируется функциональным свойством соответствующих человеко-машинных систем, в общем случае включающим в себя, как объект управления, источники опасностей (это непосредственно технологический процесс, технологическое оборудование, система управления) и потенциальные жертвы его вредных энергетических и материальных выбросов (обычно людей и окружающую их среду). Множество опасностей порождает множество мероприятий для их нейтрализации.
Понятие технологической безопасности является сложным понятием, качественная и количественная оценка которого формируется анализом отношений множества опасностей и множества мероприятий, нейтрализующих эти опасности. Множество источников опасностей и множество защитных мероприятий, нейтрализующих эти опасности, характеризуют степень защищенности, формирует оценку безопасности химической технологии [1].
Формализованное концептуальное представление технологической
безопасности т/ может быть представлено в следующем виде:
тк = < вк-1 (Вк-2, ), цк^цк-!, ), В (Вк'1, ...), А >
где: к - моменты времени оценки состояний; Эк - множество опасностей; ик- множество управлений, направленных на нейтрализацию опасности; Я с ЭхО - отношения на множестве опасностей; Вк - множество оценок уровня безопасности, (например, это может быть интервалом [0,1]); А -семейство алгебраических операций. Для реального технологического процесса множества О и и конечные и счетные.
Выделим множество тех ситуаций, которые характеризуют область исправного состояния процесса, по всем возможным параметрам. То есть такую область, в которой процесс ведет себя предсказуемо и не выходит во внештатные ситуации. Выход из границ этой области означает внештатную ситуацию.
В области исправного состояния существует точка - центр безопасности, определим ее как рабочую точку, которая наилучшим образом удовлетворяет безопасному ведению процесса (рис. 1).
В каждый момент времени работы процесса происходит смещение от центра безопасности. Это смещение определяет текущее состояние процесса. Нормируем все доступные нам параметры процесса на интервале [0,1]. Полученное значение определит степень опасности для данного процесса в данный момент времени, обозначим полученную величину опасности за 0(х, w), где х е X - множество переменных состояния; ™ е ^ - множество случайных воздействий.
Безопасность определим, как расстояние от точки текущего состояния процесса до границы области его исправного существования, по направлению движения состояния процесса О(х, w) = 1 - 0(х, w).
Область исправного состояния процесс:!
Рис. 1. Геометрическое представление оценки безопасности
49
Дадим формальное определение «нечеткой» ситуации. Пусть Рр = {Р1, Р2, ..., Рр} - множество параметров значениями, которых описывается состояние процесса. Каждый параметр Т описывается соответствующей лингвистической переменной Р,, Ь>>. Нечеткой ситуацией ~ называется нечеткое множество второго уровня [2]:
~ = {<т (Р,) / Р >}, Р е X , где т(р,)={<т^р)(Е))/Щ >}, j = 1-ы1, , = 1...п
В качестве меры близости между текущей ситуацией , характеризующей рабочую очку процесса, и ситуацией $>0, соответствующей центру технологической безопасности процесса, рассматриваются два критерия: степень нечеткого включения и степень нечеткого равенства. Эти понятия базируются на определении степени нечеткого включения и степени нечеткого равенства нечетких множеств [2].
Степень включения ситуации в ситуацию ~ определяется выражением:
у(~,, ~, )=&у(т51 (р),т (р)),
где ^ (Р),(р)) = ¿К, (Р)(Щ )®ММя. (?) (Е ^
Ек 1 j
(р ) (Щ) ® (Р )(Ек)=тах{1 - (Р ) (Ек \ т (Р ) (Ек)}
Сходство ситуаций оценивается нечетким равенством, при этом степень нечеткого равенства равна: ,)=п(~,~ )&п(~,). В работе
степень нечёткого равенства называется индексом технологической безопасности.
При создании информационных систем возникает задача оценки текущих состояний системы. На основе этих оценок принимаются решения по дальнейшему управлению системой. Существует обобщенная структура принятия решений на основе текущих состояний системы, которая может использоваться для промышленных объектов разных типов (рис.2) [1].
Состояние системы, с точки зрения технологической безопасности [1,3], определяется состоянием технологического процесса, состоянием оборудования и системы управления. На основе состояния системы принимается решение по управлению промышленным объектом.
Для создания системы оценки состояний безопасности технологических процессов необходимо разработать ряд алгоритмов. Структура набора алгоритмов приведена в таблице.
В общем случае для определения текущих состояний системы предлагается использовать оценки степеней включения и степеней нечеткого равенства состояний [2]. В данной работе показана структура набора алгоритмов, для оценки принадлежности текущих состояний исследуемой системы эталонным состояниям на основе анализа степеней нечеткого включения и нечеткого равенства между ними. Эталонные состояния, в свою очередь, формируются из набора "типовых" состояний определяемых экспертом в процессе экспертного опроса.
50
ОРГАНИЗАЦИОННАЯ СИСТЕМА ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ
ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ Начальник цеха
Руководителя о тд« еикй
Трыолога
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
Рис. 2. Иерархия исполнителей
Основные составляющие программного обеспечения системы оценки состояний представлены в таблице [3]. Использование определенных составляющих математического обеспечения определяется характером технологических процессов. Построение математического и программного обеспечения осуществляется на основе необходимости выполнения оценки состояний технологической системы, как для процессов имеющих стационарный и квазистационарный характер, так и для процессов, поведение которых необходимо оценивать с учетом неопределенности. Неопределенность понимается в широком смысле. Т.е. это как вероятностно-определенные условия, так и в условиях неопределенности знаний.
Основные составляющие математического обеспечения системы
оценки состояний.
Типы процессов Математическое описание Механизм оценки состояния
Детерминированные физико-химические процессы (стационарные, квазистационар -ные) Модели смешения ёх Ш = Ах + Ь (11). Статический режим (ХД, г) < 0, (1 =1,...,1), (1) (ХД, г) > 0, (1 =1,...,1), (2).
Модели вытеснения ¿>хМ = Шдх/дх + Г(х), дxJdt = Wдxlдz + д2х!дт} + Р(х), дх/д\ = Wдxlдz + Б^х/^2 + + Г(х).
Квазистатический режим (Х1Ч<(к), г(к)) < Ах(к+1), (1 =1,...,1), (3) (Хщ>(к), г(к)) > Ах(к+1), (1 =1,...,1), (4).
Нелинейные модели ёх Ш = Ах + Ь + Г(х), Г(х)= Е Г(к)(х)(х-х0)к1к! + Яп(х), (к=0,1,2,..., п).
Окончание таблицы
Вероятностно-неопределенные физико-химические процессы
х1 е X - множество переменных состояния.
х ^<уьТ1А>, (8)
ТМ1 ->
1}- терм-
где у1 - название х1; Т1 = {Т11,Т2 множество лингвистическом переменной у1
(ЛП), Б1 - базовое множество ЛП у1. Т1, ^ <Т| Бъ ~С |> (| е Ь = {1, 2, ..., М1}), (9)
~с 1J = { <т ~с 1 , (а)/а> }, а е Б1
где <т ~с 1 j (а) - степень принадлежности элемента а нечеткому множеству ~С 1j. - нечеткая ситуация (нечеткое множество второго уровня:
| = { <т з (У,)/ У, > }, Уj е У1 (10) где т 8 (У,) = {<т ц , (У|) (Т1,)/ Т1, >}.
Степень включения ситуации Б1 в Б, у(~Б1 , ~Б|) = & у( т б 1 (Ур), т б | (Ур)) (5)
УР е У
где У( Д з 1 (УрХ Д з , (Ур)) =
& ( тт б1 (Ур) (ткр) ^ тт ^(т^) (6) ткр е тр ; степень нечеткого равенства: т(~Б1 , ~Б|) = У(~Б1 , ~Б|) & , ~Б0 (7)
Для аппаратурного оформления процессов и систем управления одним из основных показателей состояния является вероятность возникновения отказа, которая в основном зависит от продолжительности работы элемента оборудования или СУ с момента последнего ремонта.
Рис. 3. Структура системы принятия диагностических решений
Ядром системы управления технологической безопасностью является система диагностики состояний, описание которой приведено выше. В настоящее время существует достаточно много различных моделей в решении проблемы определения состояний. В большинстве существующих моделях диагностики количество различных состояний определяется на
52
основе анализа внештатных производственных ситуаций, эмпирическим путем. Такой подход требует больших трудозатрат, и кроме того, количество состояний трудно перечислить. Все это заставляет искать новые решения в задаче определения состояний производственных. Одно из таких решений - использование метода нечётких множеств, которое является одним из направлений методов искусственного интеллекта. Его применение позволяет повысить эффективность поиска первопричин возникновения внештатных ситуаций.
Список литературы
1. Палюх Б.В., Богатиков В.Н., Олейник А.Г., Алексеев В.В., Пророков А.Е. Новые технологии диагностики состояний и управления безопасностью промышленных процессов: методическое руководство для аспирантских и магистерских работ. Тверь: ТвГТУ, 2012. 72 с.
2. Бернштейн Л.С., Коровин С.Я., Мелихов А.Н. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой.-М.: Наука, 1990. 270 с.
3. Богатиков В.Н., Палюх Б.В., Пророков А.Е., Алексеев В.В. Приложение метода разделения состояний к управлению технологической безопасностью на основе индекса безопасности (монография) // Тверской государственный технический университет, Тверь, 2009. 256 с.
Бакасов Сабир Румович, асп., Sabir17204@gmail. com, Россия, Тверь, Тверской государственный технический университет,
Кириллов Иван Евгеньевич, канд. техн. наук, доц., KirillovIarambler.ru, Россия, Апатиты, Институт информатики и математического моделирования КНЦ РАН,
Тоичкин Николай Александрович, канд. техн. наук, доц., toichkin@,list.ru, Россия, Апатиты, (филиал) Мурманский арктический государственный университет,
Пророков Анатолий Евгеньевич, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, aprorokov@,mail. ru, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт (филиал) Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева,
Богатиков Валерий Николаевич, д-р техн. наук, проф., vnbgtk@,mail.ru, Россия, Тверь, Тверской государственный технический университет
BUILDING OF SYSTEMS OF PROVIDING SAFETY ON BASIS OF FUZZY-DEFINED DISCRETE MODELS
S.R Bakasov, I.E. Kirillov, N.A. Toichkin, A.E. Prorokov, V.N. Bogatikov
This article discusses the approach to building industrial safety support systems through the application of fuzzy set theory. The concept of a security index is introduced to assess the state of the technology processes with the management system's structure being considered as an organizational and technological decision-making system.
53
Key words: Industrial process safety, fuzzy control system.
Bakasov Sabir Rumovich, postgraduate, Sabir17204@gmail. com, Russia, Tver, Tver state technical university,
Kirillov Ivan Evgenevich, candidate of technical sciences, docent, Kirillovlarambler. ru, Russia, Apatity, Establishment of Russian Academy of Sciences Institute for Informatics and Mathematical Modelling of Technological Processes of the Kola Science Center RAS,
Toichkin Nikolai Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, toich-kin@,list.ru, Russia, Apatity, Apatity branch of Murmansk Arctic State University,
Prorokov Anatoly Evgenevich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, aprorokov@mail. ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk affiliate branch of D.I. Mende-leyev University of Chemical Techology of Russia,
Bogatikov Valeriy Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, vnbgtk@,mail. ru, Russia, Tver, Tver State Technical University
УДК 661.721.41; 681.5; 519.711.3
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ СХЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ РЕАКТОРА
СИНТЕЗА МЕТАНОЛА НА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ КАТАЛИЗАТОРЕ ПРИ ПОНИЖЕННОМ ДАВЛЕНИИ
А.В. Соболев, А.И. Ляшенко, Д.П. Вент, П.В. Корольков
Предложен подход к модернизации технологической схемы получения метанола на низкотемпературном катализаторе при давлении 5 МПа. Проведено эксергети-ческое исследование статических режимов работы реакторного узла, математическое моделирование тепловых процессов в динамике. В результате разработана схема охлаждения реактора с новой энергосберегающей системой регулирования температуры, введение которой позволит одновременно повысить производительность и энергоэффективность процесса.
Ключевые слова: система автоматического регулирования, критерий энергосбережения, потери эксергии, колонна синтеза метанола, эксергетическая чувствительность.
Производство метанола является промышленно важным химико-технологическим процессом, в котором протекают экзотермические реакции, и выделяется значительное количество энергии. Анализ химико-технологической системы (ХТС) показывает, что весомые потери энергии связаны с отводом тепла реакции и приходятся на реакторную подсистему синтеза. От оптимальности работы реактора (как в статике, так и в динамике) зависит производительность ХТС в целом.
54
