СИСТЕМА ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ СИТУАЦИОННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
(кандидат технических наук; доцент кафедры автоматики и управления)
2.
Астраханский государственный технический университет
(кандидат технических наук, доцент; доцент кафедры автоматики и управления)
3.
Астраханский государственный технический университет
(магистрант кафедры автоматики и управления)
Россия
Россия
Тип:
Статья
Страницы:
с 11
по 32
Статус:
Опубликован
Получено:
18.01.2022
Одобрено:
05.04.2022
Опубликовано:
22.04.2022
Классификаторы:
УДК 62-50 Различные типы управления и регулирования
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
система предотвращения аварийных ситуаций, предаварийная ситуация, ситуационная математическая модель, идентификация предаварийных ситуаций, метод идентификации предаварийных ситуаций, алгоритм идентификации состояния
Аннотация (русский):
Основным критерием, характеризующим эффективность использования оборудования промышленного объекта, является его эксплуатация без отказов и аварий. Для снижения аварийности предложена система предотвращения аварийных ситуаций, призванная идентифицировать текущую технологическую ситуацию на объекте, прогнозировать ее дальнейшее развитие, а также формировать управляющие воздействия для возврата объекта в режим нормальной эксплуатации. Задача идентификации предаварийных и аварийных ситуаций для технологических объектов реализуется как частная задача распознавания технологической ситуации на основе ситуационной математической модели объекта. Ситуационная математическая модель объекта реализуется в виде набора продукционных правил, отображающих знания экспертов об идентификации предаварийных ситуаций на объекте, а также возможных траекториях вывода объекта управления в режим нормальной эксплуатации. Предложена трехуровневая группировка правил ситуационной математической модели по уровням безопасности. Рассмотрены особенности формирования правил ситуационной математической модели при обработке качественной информации об объекте. На основании ситуационной математической модели предложен метод идентификации предаварийных ситуаций, описаны этапы реализации метода. Разработан алгоритм функционирования системы предотвращения аварийных ситуаций. Определена схема взаимодействия предложенной системы предотвращения аварийных ситуаций и системы управления технологическим процессом на основе SCADA-системы. Использование предложенной системы позволит повысить безопасность и устойчивость функционирования опасных технологических объектов
Основным критерием, характеризующим эффективность использования оборудования промышленного объекта, является его эксплуатация без отказов и аварий. Для снижения аварийности предложена система предотвращения аварийных ситуаций, призванная идентифицировать текущую технологическую ситуацию на объекте, прогнозировать ее дальнейшее развитие, а также формировать управляющие воздействия для возврата объекта в режим нормальной эксплуатации. Задача идентификации предаварийных и аварийных ситуаций для технологических объектов реализуется как частная задача распознавания технологической ситуации на основе ситуационной математической модели объекта. Ситуационная математическая модель объекта реализуется в виде набора продукционных правил, отображающих знания экспертов об идентификации предаварийных ситуаций на объекте, а также возможных траекториях вывода объекта управления в режим нормальной эксплуатации. Предложена трехуровневая группировка правил ситуационной математической модели по уровням безопасности. Рассмотрены особенности формирования правил ситуационной математической модели при обработке качественной информации об объекте. На основании ситуационной математической модели предложен метод идентификации предаварийных ситуаций, описаны этапы реализации метода. Разработан алгоритм функционирования системы предотвращения аварийных ситуаций. Определена схема взаимодействия предложенной системы предотвращения аварийных ситуаций и системы управления технологическим процессом на основе SCADA-системы. Использование предложенной системы позволит повысить безопасность и устойчивость функционирования опасных технологических объектов
Ключевые слова:
система предотвращения аварийных ситуаций, предаварийная ситуация, ситуационная математическая модель, идентификация предаварийных ситуаций, метод идентификации предаварийных ситуаций, алгоритм идентификации состояния
система предотвращения аварийных ситуаций, предаварийная ситуация, ситуационная математическая модель, идентификация предаварийных ситуаций, метод идентификации предаварийных ситуаций, алгоритм идентификации состояния
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. О промышленной безопасности опасных производственных объектов: Федеральный закон № 116-ФЗ от 21 июля 1997 г. URL: http://docs.cntd.ru/document/9046058 (дата обращения: 05.01.2022).
2. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике (ССНТ). Основные понятия. Термины и определения. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002. 32 c.
3. Немчинов Д. В., Селиверстова А. Н., Антонов О. В. Поддержка принятия решений по управлению предаварийными ситуациями на примере установки каталитического риформинга // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2020. № 2. С. 19-25.
4. Антонов О. В., Райкова Е. Ф., Муратов Р. Э. Си-стема идентификации предаварийных состояний технологических объектов на основе ситуационной математической модели // World science: problems and innovations: сб. ст. LII Междунар. науч.-практич. конф. (Пенза, 30 марта 2021 г.). Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение» (ИП Гуляев Г. Ю.), 2021. С. 50-54.
5. Проталинский О. М., Немчинов Д. В. Система поддержки принятия управленческих решений по снижению рисков аварийных ситуаций на промышленных объектах // Автоматизация в промышленности. 2010. № 3. С. 13-16.
6. Антонов О. В., Райкова Е. Ф., Муратов Р. Э. Ме-тод идентификации предаварийных ситуаций для опас-ных производственных объектов в нефтяной и газовой промышленности // Инновационные научные исследования: теория, методология, практика: сб. ст. XXIV Междунар. науч.-практ. конф. (Пенза, 30 марта 2021 г.). Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение» (ИП Гуляев Г. Ю.), 2021. С. 35-42.
