EMERGENCY PREVENTING SYSTEM AT PRODUCTION TECHNOLOGICAL OBJECTS BASED ON SITUATIONAL MATHEMATICAL MODEL
Journal: VESTNIK OF ASTRAKHAN STATE TECHNICAL UNIVERSITY. SERIES: MANAGEMENT, COMPUTER SCIENCE AND INFORMATICS
№ 2
, 2022
Rubrics: MANAGEMENT, MODELING, AUTOMATION
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
(Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Automation and Management)
2.
Astrakhan State Technical University
(Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Automation and Management)
3.
Astrakhan State Technical University
(Master’s Course Student of the Department of Automation and Management)
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 11
to 32
Status:
Published
Received:
18.01.2022
Accepted:
05.04.2022
Published:
22.04.2022
Subject area:
UDK 62-50 Различные типы управления и регулирования
Language:
Russian
Keywords:
emergency prevention system, pre-emergency situation, situational mathematical model, identification of pre-emergency situations, method of identification of pre-emergency situations, state identification algorithm
Abstract (English):
The main criterion characterizing the efficiency of the equipment of an industrial facility is its operation without failures and damages. To reduce the emergency rate, there has been proposed an emergency prevention system targeted at identifying the technological situation at the facility, predicting its further development, and also de-veloping the control actions to return the facility to normal operation. The task of identifying pre-emergency and emergency situations for technological objects is realized as a particular task of recognizing a technological situation based on a situational mathematical model of an object. The situational mathematical model of the object is implemented as a set of production rules that reflect the knowledge of experts about the identification of pre-emergency situations at the object, as well as possible trajectories for bringing the control object into normal operation. A three-level grouping of the rules of the situational mathematical model by security levels is proposed. The features of the formation of the rules of the situational mathematical model in the processing of qualitative information about the object are considered. Based on the situational mathematical model, a method for identifying pre-emergency situations is proposed, the stages of the method implementation are described. An algorithm of functioning the emergency prevention system has been developed. The interaction scheme of the proposed emergency prevention system and the process control system based on the SCADA system is determined. The use of the proposed system will improve the safety and stability of the operation of hazardous technological facilities
The main criterion characterizing the efficiency of the equipment of an industrial facility is its operation without failures and damages. To reduce the emergency rate, there has been proposed an emergency prevention system targeted at identifying the technological situation at the facility, predicting its further development, and also de-veloping the control actions to return the facility to normal operation. The task of identifying pre-emergency and emergency situations for technological objects is realized as a particular task of recognizing a technological situation based on a situational mathematical model of an object. The situational mathematical model of the object is implemented as a set of production rules that reflect the knowledge of experts about the identification of pre-emergency situations at the object, as well as possible trajectories for bringing the control object into normal operation. A three-level grouping of the rules of the situational mathematical model by security levels is proposed. The features of the formation of the rules of the situational mathematical model in the processing of qualitative information about the object are considered. Based on the situational mathematical model, a method for identifying pre-emergency situations is proposed, the stages of the method implementation are described. An algorithm of functioning the emergency prevention system has been developed. The interaction scheme of the proposed emergency prevention system and the process control system based on the SCADA system is determined. The use of the proposed system will improve the safety and stability of the operation of hazardous technological facilities
Keywords:
emergency prevention system, pre-emergency situation, situational mathematical model, identification of pre-emergency situations, method of identification of pre-emergency situations, state identification algorithm
emergency prevention system, pre-emergency situation, situational mathematical model, identification of pre-emergency situations, method of identification of pre-emergency situations, state identification algorithm
Введение
В условиях жесткой конкуренции на современном рынке вопросы эффективного использования технологического оборудования с одновременным решением вопросов защиты жизни и здоровья человека, а также минимизации негативного воздействия на окружающую среду при эксплуатации промышленных объектов, имеют первостепенное значение.
Основным критерием, характеризующим эффективность использования оборудования промышленного объекта, является его эксплуатация без отказов и аварий. Рост эффективности при этом обуславливается отсутствием или сокращением простоев, уменьшением расходов на внеплановые ремонты оборудования и устранение последствий аварий, исключением потерь сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. Безотказная и безаварийная работа также значительно сокращает риск причинения вреда здоровью и жизни обслуживающего персонала.
С аварийными ситуациями и последующими выбросами вредных, опасных и токсичных веществ связано в основном и негативное экологическое влияние промышленных объектов.
Задача снижения аварийности на производственных технологических объектах может решаться путем разработки системы предотвращения аварийных ситуаций (СПАС) (emergency prevention systems (EPS)), позволяющей идентифицировать текущую технологическую ситуацию на объекте
и прогнозировать ее дальнейшее развитие, а также формировать управляющие воздействия для возврата объекта в режим нормальной эксплуатации.
Идентификация предаварийных ситуаций как средство повышения безопасности и устойчивости функционирования производственных технологических объектов
Основная опасность технологических объектов в значительной мере сосредоточена в потенциальной возможности их перехода в нерегламентное состояние, называемое аварией. Термин «авария» определен как «разрушение сооружений или технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте, неконтролируемые взрыв или выброс опасных веществ» [1]. Также нормативной документацией определены понятие «отказ» как «событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния технологического объекта»
и понятие «нарушение технологического режима» как «возникновение режима эксплуатации с повышенной вероятностью возникновения отказов» [2].
Основные состояния технологического объекта и возможные переходы между ними с указанием актуаторов контролируемых переходов показаны на рис. 1.
Рис. 1. Основные состояния технологического объекта и переходы между ними: ПАЗ – противоаварийная защита
Fig. 1. The main states of the technological object and the transitions between them: ПАЗ - emergency protection
Из некритического состояния «Нарушение технологического режима» объект может выходить по нескольким траекториям:
– возврат в режим нормальной эксплуатации, осуществляемый оператором вручную по сигналам предупредительной сигнализации;
– самопроизвольный переход в состояние отказа;
– самопроизвольный – при отсутствии или неэффективности действий оператора – переход
в аварийную ситуацию с дальнейшим переходом
в состояние отказа при срабатывании системы противоаварийной защиты (ПАЗ) или самопроизвольным переходом в состояние аварии при неэффективности действий ПАЗ.
Таким образом, только одна из траекторий, проводимая человеком-оператором вручную, позволяет нормализовать состояние объекта, в то время как две других, с самопроизвольным течением или под действием системы управления, приводят к отказу или аварии.
Само состояние «Нарушение технологического режима» чаще всего идентифицируется по выходу значений отдельных технологических параметров за установленные пределы. Данный подход не позволяет учитывать ситуации, при которых каждый технологический параметр находится в допустимом диапазоне, но сочетание параметров указывает на развитие аварийной ситуации. Также не учитывается скорость изменения параметров, которая даже при нахождении параметра в допустимом диапазоне указывает на неблагоприятную динамику процесса. Такое состояние оборудования можно назвать пре-даварийной ситуацией (ПАС).
В ряде случаев при обнаружении ПАС существует возможность предпринять управляющие действия, способные вернуть систему в режим нормальной эксплуатации до срабатывания системы ПАЗ и предотвратить остановку технологического процесса, поэтому для сложных крупнотоннажных промышленных объектов целесообразно использование СПАС на основе распознавания ПАС на объекте управления [3].
Понятие «предаварийная ситуация» определяется как состояние объекта, характеризующееся следующими признаками:
– имеется отклонение от режима нормальной эксплуатации, которое при дальнейшем развитии может привести к аварии;
– каждый технологический параметр еще находится в допустимых диапазонах, хотя некоторые могут достигать предельных значений;
– в целом комбинация значений технологических параметров может характеризовать ситуацию на объекте как близкую к аварийной.
Расширенное множество состояний технологического объекта и возможные переходы между ними с учетом состояния «Предаварийная ситуация» и с указанием актуаторов контролируемых переходов показаны на рис. 2.
Рис. 2. Основные состояния технологического объекта и переходы между ними
с учетом состояния «Предаварийная ситуация»
Fig. 2. The main states of a technological object and transitions between them,
subject to the “Pre-emergency situation state”
Формируется дополнительная траектория
возврата в режим нормальной эксплуатации,
осуществляемая как оператором вручную, так
и средствами СПАС, что уменьшает вероятность останова процесса. Еще одна дополнительная траектория позволяет под действием СПАС перевести ПАС в состояние отказа (останова процесса). Своевременный переход в режим останова позволяет избежать возникновения аварийной ситуации, что исключает перегрузку оборудова-ния, характерную для аварийных режимов.
Разработка ситуационной математической модели технологического объекта
Задача идентификации ПАС для технологических объектов реализуется как частная задача распознавания технологической ситуации на основе ситуационной математической модели объекта [4].
Ситуационная математическая модель (СММ) описывает зависимость ситуации на объекте от совокупности значений факторов, существенных для оценки состояния объекта. Взаимодействие модели и объекта управления показано на рис. 3.
Рис. 3. Взаимодействие ситуационной математической модели и объекта управления:
СУТП – система управления технологическим процессом
Fig. 3. Interaction of the situational mathematical model and the control object: СУТП - process control system
В качестве основных факторов оценки ситуации применительно к технологическим объектам рассматриваются координаты состояния: измеряемые технологические (управляющие, возмущающие и выходные параметры технологического процесса); вычисляемые параметры, зависящие от значений технологических параметров; внутренние характеристики объекта.
Ситуационная математическая модель реализуется в виде набора правил «ЕСЛИ …, ТО …»
в терминах математического или лингвистического описания состояния объекта управления, отображающих знания экспертов об идентификации предаварийных ситуаций на объекте, а также возможных траекториях вывода объекта управления в режим нормальной эксплуатации. В соответствии с [5] предлагается группировать правила ситуационной математической модели по уровням безопасности:
– уровень 1 (СПАС-1) соответствует системе предупредительной сигнализации традиционной СУТП и оповещает оператора о переходе в состояние нарушения технологического режима;
– уровень 2.1 (СПАС-2.1, вновь вводимый) позволяет предупреждать оператора о переходе
в состояние ПАС (сигнализация «предаварии»). Вывод объекта в состояние нормальной эксплуатации производится оператором вручную;
– уровень 2.2 (СПАС-2.2, вновь вводимый) позволяет при переходе в состояние ПАС и при наличии возможности управления оборудованием автоматически переводить оборудование в режим нормальной эксплуатации или в состояние отказа (останова процесса);
– уровень 3 (СПАС-3) соответствует системе ПАЗ традиционной СУТП.
Реализация уровня СПАС-1 выполняется на базе продукционных правил, в качестве антецедентной части которых вводятся различные наборы значений технологических параметров, соответствующих параметрам состояния процесса по отношению к установленным пороговым значениям предупредительной сигнализации, а в качестве консеквентной указывается описание состояния оборудования с причиной нарушения технологического режима (табл. 1).
Таблица 1
Table 1
Структура правил СПАС-1
The architecture of EPS-1 rules
Антецедентная часть Консеквентная часть Вид правила
Простое сравнение по значениям технологических параметров
i = k Описание состояния оборудования ЕСЛИ Параметр Хi (>//////// Pзад И ЕСЛИ vP = «ВЫСОКАЯ»,
ТО ПАС «Аварийное повышение давления
в аппарате».
В качестве математического описания используется матрица нечеткого отношения R, вычисление которой производится следующим образом:
R = FUZZY(vP) × {ВЫСОКАЯ} + FUZZY(vP) ×
× НЕ{СРЕДНЯЯ} + FUZZY(vP) × НЕ{НИЗКАЯ}.
На эксплуатационном этапе расчет по приведенному правилу производится с использованием матрицы R и операции минимаксной композиции
{ПАС} = FUZZY(vP) ⊕ R.
Описание текущей ситуации в рамках СПАС определяется по максимальному значению функции принадлежности полученного нечеткого множества {ПАС}.
Алгоритм функционирования системы предотвращения аварийных ситуаций
Общая блок-схема алгоритма функционирования СПАС на эксплуатационном этапе приведена на рис. 5.
Рис. 5. Общая блок-схема алгоритма функционирования СПАС
на эксплуатационном этапе:
ФП – функция принадлежности; ТП – технологическая переменная
Fig. 5. General flowchart of the algorithm of the emergency prevention system operation
during the exploitation phase: ФП - membership function; ТП - process variable
Функционирование системы на эксплуатационном этапе включает в себя инициализацию системы (шаг 1) и бесконечный цикл оценки текущей ситуации на объекте управления (шаги 2–5) и реализации управляющих воздействий в предаварийных и аварийных ситуациях (шаг 6).
Шаг 1. Инициализация СПАС: формирование перечня параметров аппаратов; формирование массива термов параметров аппаратов; формирование массива значений функции принадлежности термов по аппаратам; формирование массива правил установки.
Шаг 2. Формирование исходной информации
о текущем состоянии технологического процесса: получение значений технологических параметров от первичных преобразователей или от системы управления технологическим процессом; формирование значений вычисляемых параметров на основе значений технологических параметров.
Шаг 3. Идентификация состояния объекта управления по правилам уровня СПАС-1 (нарушение технологического режима).
Шаг 4. Идентификация состояния объекта управления по правилам уровня СПАС-2 (предаварийные ситуации).
Детализированный алгоритм процесса проверки одного правила при текущих значениях параметров состояния приведен на рис. 6.
Рис. 6. Блок-схема алгоритма процесса проверки правила уровня СПАС-2 ситуационной математической модели
Fig. 6. Flowchart of the algorithm of checking the rule of EPS-2 level of the situational mathematical model
При этом для каждого правила уровней СПАС-2.1 или СПАС-2.2 осуществляется последовательность действий:
– формируется массив термов, представляющих антецедентную часть правила;
– для каждого терма массива формируется массив элементов нечеткого множества, характеризующихся ненулевым значением функции принадлежности;
– для текущего значения параметра, используемого в правиле, выбирается терм лингвистической переменной, при котором элемент множества, охватывающий текущее дискретное значение параметра, имеет наибольшее значение функции принадлежности;
– осуществляется операция минимаксной композиции элементов множества терма лингвистической переменной правила с соответствующей матрицей нечеткого отношения с накоплением итогового значения по функции принадлежности по группе антецедента;
– логическая композиция итоговых значений функции принадлежности с определением актуальности итогового консеквента.
Шаг 5. Идентификация состояния объекта управления по правилам уровня СПАС-3 (аварийные ситуации).
Шаг 6. Реализация консеквентной части актуальных правил в виде оповещения оператора или реализации управляющих воздействий на объект.
Предложенный алгоритм позволяет сформировать оценку ситуации на технологическом объекте на основании ситуационной математической модели.
Схема взаимодействия СУТП и СПАС
Для интеграции с существующей SCADA-системой предлагаемая СПАС может быть реализована на встроенном языке SCADA-системы. Однако функциональность встроенного языка зачастую
не позволяет реализовать необходимые алгоритмы обработки данных, а также не обеспечивает универсальности интеграции СПАС с различными SCADA-системами.
В связи с этим предлагается использовать реализацию СПАС как внешнего приложения с использованием информационного обмена с модулями SCADA-системы через DCOM, DDE-серверы или внешние базы данных. Структурная схема интеграции СПАС с имеющейся СУТП на основе SCADA-системы показана на рис. 7.
Рис. 7. Структурная схема интеграции СПАС
с имеющейся СУТП на основе SCADA-системы
Fig. 7. Structural diagram of integration of the emergency prevention system
with the existing PCS on base of SCADA system
Реализация СПАС в виде внешнего приложения с интеграцией через программные интерфейсы обмена информацией также не нарушает работу имеющихся систем предупредительной сигнализации
и противоаварийной защиты, что не снижает проектный уровень технической безопасности объекта.
Заключение
Предложена система предотвращения аварийных ситуаций на основе ситуационной математической модели с возможностью идентификации предаварийных ситуаций технологического процесса. Использование систем, позволяющих прогнозировать возникновение аварийного режима
и предотвращать аварийную остановку технологического оборудования, позволит повысить безопасность и устойчивость функционирования опасных технологических объектов.
1. O promyshlennoy bezopasnosti opasnyh proizvodstvennyh ob'ektov: Federal'nyy zakon № 116-FZ ot 21 iyulya 1997 g. URL: http://docs.cntd.ru/document/9046058 (data obrascheniya: 05.01.2022).
2. GOST 27.002-89. Nadezhnost' v tehnike (SSNT). Osnovnye ponyatiya. Terminy i opredeleniya. M.: IPK Izd-vo standartov, 2002. 32 c.
3. Nemchinov D. V., Seliverstova A. N., Antonov O. V. Podderzhka prinyatiya resheniy po upravleniyu predavariynymi situaciyami na primere ustanovki kataliticheskogo riforminga // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Upravlenie, vychislitel'naya tehnika i informatika. 2020. № 2. S. 19-25.
4. Antonov O. V., Raykova E. F., Muratov R. E. Si-stema identifikacii predavariynyh sostoyaniy tehnologicheskih ob'ektov na osnove situacionnoy matematicheskoy modeli // World science: problems and innovations: sb. st. LII Mezhdunar. nauch.-praktich. konf. (Penza, 30 marta 2021 g.). Penza: MCNS «Nauka i Prosveschenie» (IP Gulyaev G. Yu.), 2021. S. 50-54.
5. Protalinskiy O. M., Nemchinov D. V. Sistema podderzhki prinyatiya upravlencheskih resheniy po snizheniyu riskov avariynyh situaciy na promyshlennyh ob'ektah // Avtomatizaciya v promyshlennosti. 2010. № 3. S. 13-16.
6. Antonov O. V., Raykova E. F., Muratov R. E. Me-tod identifikacii predavariynyh situaciy dlya opas-nyh proizvodstvennyh ob'ektov v neftyanoy i gazovoy promyshlennosti // Innovacionnye nauchnye issledovaniya: teoriya, metodologiya, praktika: sb. st. XXIV Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (Penza, 30 marta 2021 g.). Penza: MCNS «Nauka i Prosveschenie» (IP Gulyaev G. Yu.), 2021. S. 35-42.
