close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Автоматизированное управление технологическими процессами уничтожения фосфорорганических отравляющих веществ

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Стукалова Наталия Александровна
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ УНИЧТОЖЕНИЯ
ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ ОТРАВЛЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
Специальность 05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими
процессами и производствами (в промышленности)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тверь – 2015
Работа выполнена на кафедре «Информатика и прикладная математика»
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования «Тверской государственный
технический университет» (ТвГТУ).
Научный руководитель:
Матвеев Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор, декан
факультета международного академического сотрудничества ФГБОУ ВПО ТвГТУ
Официальные оппоненты:
Лабутин Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой технической кибернетики и автоматики ФГБОУ ВПО
«Ивановский государственный химико-технологический университет»
Лопатин Александр Геннадиевич, кандидат технических наук, доцент
кафедры автоматизации производственных процессов ФГБОУ ВПО
«Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева»
(Новомосковский филиал)
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет»
Защита состоится "10" апреля 2015 года в "16" часов на заседании
диссертационного совета Д 212.262.04 при Тверском государственном
техническом университете по адресу 170026, г. Тверь, наб. А. Никитина, д. 22,
ауд. Ц-212.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО
«Тверской государственный технический университет».
Автореферат разослан "___" __________2015 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д. ф.-м. наук, проф.
С.М.Дзюба
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Автоматизация оперативного управления
объектами повышенной опасности, особенно, объектами хранения и
уничтожения химического оружия (ОХУХО) является актуальной и крайне
сложной научно-технической проблемой, в рамках выполнения подписанной
РФ в 1993 году международной Конвенции о запрещении разработки,
производства, накопления и применения химического оружия и о его
уничтожении. На территории РФ расположены арсеналы химического оружия,
которое является одним из видов оружия массового поражения и представляет
собой огромную опасность для существования биологических и экосистем на
Земле. Одним из таких арсеналов является ОХУХО «Щучье», расположенный в
Щучанском районе Курганской области РФ. В этом арсенале хранятся
фосфорорганические отравляющие вещества (ФОВ): зарин, зоман, ви-икс, для
уничтожения которых было построено специальное химическое предприятие и
разработана оригинальная технология. К системам автоматизации
технологических процессов, без которых уничтожение химического оружия
просто невозможно, были предъявлены повышенные требования по их
эффективности, безопасности и живучести. Химические производства (ХП)
состоят из технологических установок (стадий), связанных между собой
материальными потоками либо непосредственно, либо через разделяющие их
емкости. Управление такими системами является сложной научно-технической
задачей, имеющей большую размерность. Использование методов
декомпозиции в АСУТП обеспечивает эффективное управление большой
системой, такой как ХП, путем эквивалентной замены общей задачи
управления на ряд связанных подзадач меньшей размерности. При этом
реализуется человеко-машинная двухуровневая иерархическая структура
системы управления как модуль. В этой системе задача управления решается на
двух уровнях: верхнем и нижнем. Для верхнего уровня решается задача
оперативного управления производством, которая определяет численные
значения основных нагрузок установок (стадий), а задача нижнего уровня –
локальная статическая оптимизация отдельных установок.
Исследованию проблем автоматизации опасных ХП посвящено
значительное количество научных работ, среди которых следует отметить
труды российских ученых: Кафарова В. В., Перова В.Л., Бояринова А.И.,
Бодрова В.И., Балакирева В.С., Буркова В.Н., Палюха Б.В., Егорова
А.Ф., Богатикова В.Н., Савицкой Т.В., Колодкина В.М., Горского В.Г., Кульбы
В.В. и других. Из зарубежных авторов можно отметить исследования, которые
проводили Дж. Клир, Х. Таха, В. Маршалл, Р. Кук, С. Гуаро, Р. Кимбелл, Э.
Колл, Б. Инмон, М. де Грот, А. Вальд, Ч. Карр, Т. Саати. Сложность проблемы
уничтожения химического оружия состоит в ее комплексности, требующей
анализа и учета множества взаимосвязанных аспектов: социальноэкономических, организационных, управленческих, научных, технических,
информационных, кадровых и других. На основании вышеизложенного,
4
решение прикладных задач
построения автоматизированных систем
управления опасными технологическими процессами для техногенных
предприятий, продолжает оставаться актуальным.
Цель диссертационной работы - увеличение эффективности и
безопасности
работы
комплекса
уничтожения
фосфорорганических
отравляющих веществ (зарина, зомана, ви-икс) при заданном нормативном
уровне опасности (риске) объекта путем разработки прикладных методов
повышения надежности и живучести АСУТП ОУХО.
Для достижения поставленной цели в диссертационной
сформулированы и решены следующие научные задачи.
работе
1) Анализ технологических процессов уничтожения фосфорорганических
отравляющих веществ как объектов автоматизации.
2) Разработка обобщенного алгоритма управления последовательностью
операций (алгоритма координации) химико-технологического
комплекса
уничтожения химического оружия.
3) Разработка математических моделей объектов управления АСУТП ОУХО
для решения задачи статической оптимизации управления с сепарабельным
показателем эффективности.
4) Разработка метода получения квазиоптимального инвариантного решения
задачи линейного программирования как задачи оптимального управления
химико-технологическим комплексом уничтожения химического оружия.
Объектом исследования в работе является технологические процессы
уничтожения химического оружия и системы их автоматизации.
Предметом
исследования
являются
методы
и
алгоритмы
функционирования АСУТП объектов УХО.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе
использованы методы системного анализа, математического и имитационного
моделирования,
методы
линейного
программирования
и
теории
двойственности, методы теории оптимизации, теории автоматического
управления и регулирования.
Научная новизна работы.
1)
Разработана математическая постановка задачи оптимального управления
технологическим комплексом уничтожения химического оружия.
2)
С точки зрения системного подхода установлены все переменные и
взаимосвязи между ними в технологических процессах для решения задачи
статической оптимизации с сепарабельным показателем эффективности.
3)
Разработан алгоритм координации для оперативного управления работой
технологических стадий, отличающийся учѐтом изменения физико-химических
показателей во время проведения процессов.
4)
Предложена методика выбора квазиоптимального варианта управления
работой технологических стадий посредством решения задачи линейного
программирования и исследования этого решения на чувствительность.
5
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов
обеспечивается обоснованным использованием научных положений и методов,
корректностью постановки и решения задач исследований, согласованностью
теоретических выводов с данными вычислительных экспериментов и их
сопоставлением с известными аналогами, а также экспертными оценками
специалистов и актами испытаний, выданными организациями, имеющими
лицензии на осуществление деятельности по выполнению работ и оказанию
услуг по хранению, перевозкам и уничтожению химического оружия.
Практическая ценность работы заключается в повышения
эффективности, надежности и живучести АСУТП комплексов по уничтожению
химического оружия. Научные результаты, полученные в диссертационной
работе, могут быть использованы в качестве методологической основы для
разработки автоматизированных систем управления для техногенных объектов.
Реализация результатов работы. Результаты исследований, полученные
в диссертационной работе, использованы ОАО «Редкинское опытноконструкторское бюро автоматики» ( п. Редкино Конаковского района
Тверской области) и проектно-конструкторским бюро автоматизации
производств (г.Тверь) при создании АСУТП
ОХУХО «Щучье»,
расположенном в Щучанском районе Курганской области.
На защиту выносятся следующие положения:
1)
Математическая постановка задачи статического оптимального
управления технологическим комплексом уничтожения химического оружия с
использованием метода декомпозиции.
2)
Алгоритм координации для оперативного управления работой
технологических стадий с учѐтом изменения физико-химических параметров во
время проведения процессов уничтожения химического оружия.
3)
Методика выбора квазиоптимального варианта управления работой
технологических стадий посредством решения последовательности задач
линейного программирования и исследования этих решений на
чувствительность.
4)
Алгоритмическое и техническое обеспечение автоматизированной
системы управления технологическими процессами уничтожения химического
оружия (зарина, зомана и ви-икс) объекта «Щучье».
В соответствие с паспортом специальности «05.13.06 - Автоматизация
и управление технологическими процессами и производствами
(в
промышленности)» в диссертационной работе разработаны отдельные
положения научной концепции создания АСУТП ОУХО, которые имеют
значимые отличия от типовых решений по назначению, составу, реализуемым
функциям системы, организации взаимодействия со смежными системами
(п.3), предложены методы математического моделирования объектов
управления (п.4) и повышения эффективности, надежности и живучести
АСУТП ОУХО (п.13).
Апробация работы. Научно-практические результаты, полученные в
работе обсуждались и были положительно восприняты участниками на
конференциях: 26 Международная научно-техническая конференция
6
«Математические методы и информационные технологии в экономике,
социологии и образовании» (г. Пенза, 2009г); 14 Международная научнотехническая конференция «Информационно-вычислительные технологии и их
приложения» (г. Пенза, 2010г.); Международная научно-практическая
конференция «Актуальные проблемы науки» (г. Тамбов, 2011).
Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения,
выносимые на защиту, сформулированы автором и отражены в
опубликованных им работах. Все представленные результаты получены
автором лично.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 9
печатных работ в научных журналах и сборниках, из которых 3 статьи в
периодических изданиях по списку ВАК РФ.
Структура и объѐм работы. Диссертационная работа состоит из
оглавления, списка принятых сокращений, введения, четырѐх глав, заключения,
библиографического списка на 78 наименований и приложения. Общий объѐм
диссертационной работы 153 страницы, 18 рисунков и 7 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены
цели и задачи диссертационной работы.
В первой главе проведен анализ объекта уничтожения химического
оружия, расположенный в Щучанском районе Курганской области. Приведена
методика уничтожения химического оружия, разработанная ГосНИИОХТ
(Государственным научно-исследовательским институтом органической
химии и технологии) и утверждѐнная Государственной комиссией. Рассмотрен
химико-технологический комплекс (ХТК) обезвреживания различных
химических боеприпасов с зарином, зоманом и ви-икс. Предложены отдельные
положения концепции создания АСУТП ОУХО «Щучье», которые имеют
значимые отличия от типовых решений по назначению, составу, реализуемым
функциям системы, организации взаимодействия со смежными системами:
1)
Иерархичность системы, подразумевающая статическое распределение
нагрузки в системе в отличие от динамического перераспределения,
выполняемого в процессе работы системы. Имеется в виду распределение
обработки информации по уровням иерархии системы: уровень диспетчера –
уровень
оператора
технологического
процесса
(ТП)
–
уровень
программируемого контроллера (ПК).
2)
Наличие в составе системы подсистемы настройки на объект управления,
обеспечивающей возможность несложной настройки силами конечных
пользователей системы
3)
Наличие в системе механизмов адаптации к текущей нагрузке,
определяемой в
основном событиями вне
системы. Система должна
перераспределять нагрузку в соответствии с изменением приоритета функций
во времени.
4)
Обеспечение принятой концепцией построения пользовательского
интерфейса возможности формирования у пользователя простой, понятной
концептуальной модели системы, легкости управления системой, повышения
7
оперативности управления по мере освоения системы.
Химические производства состоят из стадий процесса, связанных между
собой материальными потоками. Каждая установка работает в непрерывном
режиме, выпуская некоторый набор продуктов. Количество выпускаемого
установкой продукта зависит от количества и состава потребляемого сырья и
режима работы установки. В качестве управляющих воздействий могут
использоваться количество сырьевых компонентов, потребляемых установкой в
единицу времени, а также величины режимных параметров работы установки
(температура, давление и т. д.), которые выбираются независимо для каждой
отдельной установки. Описанный класс производства характерен для
предприятий химической отрасли и полностью применим к объектам хранения
и уничтожения химического оружия. Управление таким производством
осуществляется двухуровневой иерархической системой управления. Общая
задача текущего управления ставится как оптимальная статическая, характер
которой обусловлен тем, что рассматривается функционирование производства
на значительных интервалах времени, на которых динамикой протекания
процессов в установках можно пренебречь. Оптимизационный характер задачи
определяется желанием получить экстремальное значение некоторого
заданного технико-экономического показателя работы производства при
выполнении ряда ограничений.
Математическая модель каждой стадии процесса представляется в общем
виде как система уравнений:
x(i)=f (i)(x(i-1),u(i)),
(1)
(i)
где x – вектор совокупности переменных состояния (выход) i-ой стадии;u(i) –
вектор совокупности управляющих воздействий (управление) на i-ой стадии.
На переменные выхода x(i) и управляющие воздействия u(i) накладываются
ограничения, которые определяют диапазон изменения и связь этих
переменных. С точки зрения математики, данные ограничения накладывают
условия, которые записываются в виде равенств и неравенств:
Fj (x(i), … , x(N), u(i), … , u(N)) 0, j= 1,…, k.
(2)
Эффективность каждой стадии процесса может быть оценена некоторой
скалярной величиной:
ri = ri*(x(i), u(i)),
(3)
которая задаѐтся как функция, зависящая от переменных состояния стадии x(i) и
управления на ней u(i). Учитывая математическое описание стадии (1),можно
представить функциональную зависимость (3) как:
ri = ri (x(i-1), u(i)),
(4)
(i-1)
(i)
т.е. как функцию состояния входа x
на i-ой стадии и управления u , которое
на ней используется.
В результате оценку эффективности процесса можно определить в виде
аддитивной функции результатов, полученных на каждой стадии:
N
RN
i 1

ri ( x ( i
1)

, u ( i ) ).
(5)
8
Значение показателя RN – критерия оптимальности – зависит от управляющих
воздействий uN на каждой стадии процесса и является набором значений
векторов u(i) на всех стадиях:
uN= (u(1), u(2), …, u(N)).
(6)
Указанная совокупность управлений uN является стратегией управления
многостадийным процессом. Тогда, задача оптимизации процесса уничтожения
ОВ формулируется как задача отыскания оптимальной стратегии:
 (1)  ( 2)
(N)
(uопт
, uопт ,..., uопт
).
u~Nопт
(7)
Вторая глава посвящена разработке математических моделей объектов
управления АСУТП УХО «Щучье». Производительность каждой стадии
определяется количеством продукта, переработанного на стадии за
технологическую операцию. Сокращение времени проведения операции
соответствует требованию увеличения производительность комплекса УХО. В
задачах о быстродействии нужно определить управляющие воздействия, чтобы
перевести процесс из заданного начального состояния в заданное конечное за
минимальное время. Следовательно, показатель оптимизации каждой операции
ТП имеет вид:
Т кi
Ii
dt
min , i=1,…,n,
(8)
Tнi
В задаче о быстродействии процесс описывается системой уравнений:
dxi
dt
( x1 , x2 ,..., xn , u ) , i=1,…,n, где u=u(mp, Tp, t)
(9)
Тнi, Ткi –время начала и окончания проведения процесса, соответственно.
В рассматриваемой задаче гидродинамическая составляющая моделирования
процесса детоксикации представлена моделью идеального перемешивания:
dx A
dt
х Аk0e
E
RT р
х А k (T р )
(10)
при ограничениях:
Трmin
Tpmax; х А(1)
(1)
х АР
(11)
x
где Тp – температура в реакторе,
конечная концентрация,
(1)
x AР
регламентное значение концентрации на выходе, хА – текущее значение
концентрации, t – время пребывания реагентов в реакторе. Модели тепловых
балансов для теплоносителей и самой реакции детоксикации исключены из
рассмотрения, т.к. имеется техническая возможность непосредственного
измерения температуры реакционной массы (РМ). Рассматриваемая задача
является классической задачей об оптимальных быстродействиях. Еѐ решение
даѐт принцип максимума Понтрягина T=T(x,t). Компоненты вектора
Tp
(1)
A
9
управления u=u(mp, Tp, t): mp = const – масса реагента по технологическому
регламенту; Tp = Tpmax – температура в реакторе по технологическому
регламенту; t – время реакции, которое необходимо определить.
Приведен обобщенный алгоритм управления ХТК уничтожения
химического оружия. ХТК получения битумно-солевой массы зарина, зомана и
ви-икс – это последовательный процесс, в котором N технологических
операций осуществляются в n (n = 1,…,5 для ХТК уничтожения зарина, зомана
и n = 1,…,4 для ХТК уничтожения ви-икс) реакторах, разделѐнных ѐмкостями.
При применении любой стратегии управления величина критерия
оптимальности RN зависит только от состояния входа на первой стадии х(0),т.е.
RN =RN(х(0) ). Критерий оптимальности RN-1 = RN-1(х(1)) и т.д.
Обозначим через fN максимальное значение критерия RN , которое можно
получить при использовании оптимальной стратегии управления uNопт.
Значение fN также зависит от х(0), и может быть определено как
fN(х(0) ) = max RN(х(0) ), i=1,…,N
(12)
(i)
u
U
Соотношение (12) является математической формулировкой задачи
оптимизации N-стадийного процесса.
Воспользуемся тем, что критерий оптимальности N-стадийного процесса
RN – аддитивная функция критериев оптимальности отдельных стадий, и
представим его в виде:
RN(х(0))=r1(x(0),u(1))+RN-1(x(1))
(13)
Подставляя (13) в (12), можно записать:
fN(х(0) ) = max [r1(x(0),u(1))+RN-1(x(1))] , i=1,…,N
u(i) U
(14)
Соотношение (14) может быть также выражено как
fN(х(0) ) = max [r1(x(0),u(1))+ max RN-1(x(1))] , i=2,…,N
u(1) U
u(i) U
(15)
где максимизация первого слагаемого r1(x(0),u(1)) проводится только по
управлению u(1), а второе слагаемое максимизируется выбором управлений на
всех стадиях u(i)( i=1,…,N), поскольку x(1) зависит от управления u(1) .
Рассмотрим задачу максимизации второго слагаемого в (15).
max RN-1(x(1)) , i=2,…,N
(16)
(i)
u
U
которая может интерпретироваться как задача оптимизации для (N-1)стадийного процесса с критерием оптимальности RN-1(x(1)), максимизируемым
выбором управлений u(i)( i=2,…,N).
Принимая во внимание, что оптимальная стратегия управления
u~( N
1) опт
 ( 2 )  ( 3)
 (N)
(u опт
, u опт ,..., u опт
)
(17)
10
максимизирует значение критерия оптимальности RN-1, найденного для N-1
последних стадий, можно записать соотношение, которое аналогично
выражению (12)
fN-1(х(1) ) = max RN-1(х(1) ), i=2,…,N
(18)
(i)
u
U
С учѐтом соотношения (18) выражение (15) может быть представлено в виде:
fN(х(0) ) = max [r1(x(0),u(1))+ fN-1(х(1) )]
u(1) U
Воспользовавшись математическим описанием 1-й стадии
х(1)= (1)( x(0),u(1))
можно записать:
fN-1(х(1) ) = fN-1[ (1)( x(0),u(1))]
Подставляя теперь полученное выражение (21)
слагаемого в соотношение (15), находим:
(19)
(20)
вместо
(21)
второго
fN(х(0) ) = max [r1(x(0),u(1))+ fN-1[ (1)( x(0),u(1))]]
(22)
(1)
u
U
Уравнение (22) является математической формулировкой принципа
оптимальности. Оно позволяет, зная оптимальную стратегию управления (17)
для N-1последних стадий процесса и зависимость максимального значения
критерия RN-1 от состояния выхода первой стадии fN-1(х(1) ), определить
 (1)
оптимальное управление на первой стадии u опт
.
Выражение (22) представляет собой рекуррентное соотношение,
характеризующее последовательность функций
fi(х(N-i) ) , i=1,…,N
(23)
(0)
последняя из которых fN(х ) отвечает искомому решению оптимальной задачи,
т.к. по уравнению (12) значение fN(х(0) ) равно максимальному значению
критерия оптимальности RN(х(0)). При этом в процессе нахождения функций
fi(х(N-i) ) определяется также оптимальная стратегия управления u~Nопт .
Для начала расчѐтов по полученному рекуррентному соотношению (22)
необходимо задать начальную функцию, порождающую последовательность
функций (23). В качестве такой начальной функции можно принять f0(хN )=0,
что естественным образом соответствует отсутствию процесса за пределами
последней стадии.
Алгоритмическая структура АСУТП химической части комплекса
уничтожения зарина, зомана и ви-икс включает информационные системы
(ИС) по числу стадий, в функции которых входит сбор, первичная обработка
информации о технологических параметрах стадии и формирование
информации для подсистем стабилизации, оптимизации и идентификации
стадий. Подсистемы стабилизации (ПС) стадий обеспечивают поддержание
требуемых значений технологических параметров стадии. Алгоритмы
оптимизации позволяют увеличить объѐмы перерабатываемых отравляющих
веществ (ОВ) для каждой стадии.
11
На рис.1:
1 – операция детоксикации ОВ; 2 – операция дозревания РМ;
3 – операция нейтрализации РМ; 4 – операция получения битумно-солевой
массы (БСМ); ИС – информационная система; ПС – подсистема стабилизации;
АО – алгоритм оптимизации; АИС – алгоритм идентификации стадии.
Рис.1. Алгоритмическая структура АСУТП химической части комплекса
уничтожения зарина, зомана и ви-икс.
Переменные функциональной схемы: х0 – масса ОВ; u1 – масса реагента
для детоксикации ОВ; х1 – реакционная масса (РМ) после детоксикации ОВ; u2
– масса реагента для дозревания РМ; х2 –масса РМ после дозревания; х3 – масса
РМ в сборнике Е1 (Р224); х4 –масса РМ в сборнике Е2 (Р4); u3 – масса
гидроокиси кальция (ГОК) для нейтрализации РМ; u4 – масса битума; х5 – масса
нейтрализованной РМ; х6 – суммарная масса нейтрализованной РМ и битума,
поступающая в роторно- пленочный испаритель(РПИ); х7 – масса дистиллята
(выпаренных растворителей и инертов); х8 – масса БСМ.
В третьей главе рассмотрена математическая модель общей
управления ХТК:
14
W
i 0
сi xi
задачи
5
d ju j
min ,
(24)
j 1
х2 = ƒ2(х0, х1, u1), u1 U1 ,
х4 = ƒ4(х2, х3, u2), u2 U 2 ,
х9 = ƒ9(х6, х7, u3), u3 U 3 ,
х11 = ƒ11(х9, х10, u4), u4 U 4 ,
(25)
(26)
(27)
(28)
12
х11а = ƒ11а(х8, х10, u4а), u4а U 4 а ,
(29)
х14 = ƒ14(х12, х13, u5), u5 U 5 ,
(30)
х5 – х4 = Δ1, х6 – х5 = Δ2, х12 – х11 = Δ3,
(31)
хimin ≤ хi ≤ хimax, i =1, 3, 5, 6, 8,12,14
(32)
Экономический показатель управления (24) - это
затраты. Этот
показатель является линейной функцией двух переменных x и u,
коэффициенты ci и dj – это удельные затраты на входящие вещества и
энергетические потоки, которые определяют режим работы технологических
стадий. Уравнения (25) - (30) являются моделями технологических операций,
которые описываются известными функциями входных нагрузок и режимных
параметров. Области допустимых значений режимных параметров U1, U2, U3,
U4, U41, U5 известны изначально и не зависят друг от друга. Уравнения баланса
ѐмкостей (31) задают зависимости материальных потоков различных
технологических операций, которые связанны через эти ѐмкости. Значения Δ1,
Δ2 и Δ3 определяют допустимые разницы материальных потоков. Ограничения
(32) задают диапазон нагрузок, которые обеспечивают нормальное
прохождение технологических операций. Задача оперативного управления
технологическим комплексом уничтожения химического оружия (24-32) в
общем случае является задачей нелинейного программирования. Однако после
линеаризации, которая подробно описана в диссертации, превращается в задачу
линейного
программирования
(ЛП)
и
имеет
оптимальное
0
0
0
0
0
решение x j x j j 1,...,14 . Величины
являются
x1 x1 , x3 x3 , x7 x7 , x10 x10
оптимальными нагрузками стадий. Как правило, полученное оптимальное
решение задачи ЛП
не учитывает случайного характера изменения
переменных задачи и, следовательно, является неустойчивым. Предлагается
ради достижения приемлемого уровня безопасности, допустить незначительное
уменьшение выигрыша операции, получить более устойчивое решение, не
прибегая к решению стохастической задачи линейного программирования,
которая не всегда оказывается корректной и приводит к получению
приемлемого для практики результата. Возникает необходимость в
определении численных значений интервалов изменения входных переменных
линейной модели, которые не приводят к существенному отклонению от
найденного оптимума и одновременно обеспечивают устойчивость
оптимального решения при изменениях параметров модели. Разработан метод
получения квазиоптимального инвариантного решения задачи линейного
программирования. Идея предлагаемого метода заключается в следующем:
определяются оптимальные решения прямой и двойственной симметричных
задач ЛП для ситуации, описываемой линейной моделью W. Теория
двойственности для симметричных задач линейного программирования
утверждает, что оптимальные решения прямой и двойственной
задач
удовлетворяют условию дополняющей нежесткости:
13
n
zi0 (
aij x 0j bi )
0, i 1,..., m,
aij zi0
0, j 1,..., n
j 1
m
xi0 (
cj )
(33)
i 1
где x
x , x ,..., x – оптимальное решение прямой задачи,
z 0T z10 , z20 ,..., zm0
– оптимальное решение двойственной задачи. Предлагается сдвинуть линию
целевой функции внутрь области допустимых решений (ОДР), т.к.
«зашумлѐнность» процесса не гарантирует точных границ ОДР. Более того, при
решении двойственной задачи будут получены оценки остатка ресурсов и
информация о «теневых ценах» ресурсов. Предлагается уменьшить на
определенную величину выигрыш операции, т.е. передвинуть т. Е внутрь ОДР
(точка Е` на рис.2). Треугольник КЕ`F содержит бесчисленное множество
точек, координаты которых обеспечивают значение критерия W в некотором
согласованном интервале. А на отрезке KF значения W будут не только
квазиоптимальны, но и инвариантны. Это позволяет повысить надежность и
живучесть АСУТП ОУХО.
0T
0
1
0
2
0
n
Рис.
2.
Геометрическая
интерпретация
метода
получения
квазиоптимального решения задачи ЛП.
Разработан алгоритм работы функциональной схемы АСУТП комплекса
УХО (рис.3). Центральная система оптимизации (ЦЕНТР) функционирует
следующим образом: Оператором-технологом вводится в систему значения
коэффициентов (a1 – a6) и значение массы ОВ x0, поступившего на операцию
детоксикации. Система производит расчѐт управляющего воздействия – u1
(массы реагента для детоксикации ОВ). По окончании операции детоксикации
оператором-технологом в систему вводится данные о результатах проведѐнной
операции детоксикации x1 – масса реакционной массы (РМ). Система по
значению x1 производит расчѐт управляющего воздействия – u2 (массы
14
реагента для дозревания). По окончании операции дозревания операторомтехнологом в систему вводится данные о результатах проведѐнной операции
дозревания (масса РМ в сборнике Е2) – x4. Система по величине массы в
сборнике Е2 – x4 производит расчѐт управляющего воздействия u3 – массы ГОК
для нейтрализации РМ. По окончании операции нейтрализации РМ
оператором-технологом в систему вводится данные о результатах проведѐнной
операции нейтрализации x5 – масса нейтрализованной РМ.
Рис.3 Функциональная схема АСУТП комплекса УХО для зарина, зомана и Vx.
Система
производит расчѐт управляющего воздействия – u4 (массы
битума для битумирования РМ) и выдаѐт еѐ величину на монитор операторатехнолога. По окончании операции битумирования, оператором-технологом в
систему вводятся данные о результатах проведѐнной операции – x6 (суммарная
масса нейтрализованной РМ и битума, поступающая в роторно-пленочный
испаритель (РПИ)). Системой также учитывается x7 – масса дистиллята
(выпаренных растворителей и инертов) и x8 – масса битумно - солевой массы.
В четвѐртой главе разработаны предложения по техническому
обеспечению
АСУТП
технологических стадий ХТК на базе
сертифицированного программно-технического комплекса «КРУИЗ». АСУТП
имеет открытую распределенную двухуровневую структуру с центральным
пунктом управления (ЦПУ) и пунктами управления (ПУ).
АСУТП является частью системы управления ОУХО, обеспечивающей
непосредственное управление процессом уничтожения отравляющих веществ и
контроль состояния окружающей среды. АСУТП взаимосвязана с системой
15
административно-хозяйственного управления объекта АСУП, системой
организации по запрещению химического оружия (ОЗХО) и контролирующими
системами. Информация из АСУТП для вышестоящих и смежных систем
поставляется в режиме «только чтение». Оператор вышестоящих и
смежных систем не имеет возможности воздействовать на какие-либо
функции АСУТП. Обоснованы технические
характеристики устройств
программируемых логических контроллеров (ПЛК): центральных процессоров,
устройств памяти, аналоговых модулей ввода (AI), аналоговых модулей
вывода (AO), цифровых модулей ввода (DI), цифровых модулей вывода (DO),
модулей ввода аналоговых сигналов от термопар (AI-T/C), источников питания
для АСУТП объекта «Щучье». Программное обеспечение разрабатывается на
базе
SCADA-системы
SIMATIC
PCS7.
Приведено
описание
автоматизированной системы аналитического контроля (АСАК), которая
обеспечивает химический анализ жидкостей в процессах и
установки
«Транспортѐр», обеспечивающей автоматический отбор и транспортировку
проб. Применение систем АСАК и «Транспортер» в АСУТП ОУХО «Щучье»
обеспечивает повышение общей безопасности, надежности и живучести систем
уничтожения химического оружия, в том числе и АСУТП.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Основными научными и практическими результатами, достигнутыми в
диссертационной работе, являются:
1)
Постановка задачи оптимального управления технологическим
комплексом уничтожения фосфорорганических отравляющих веществ (зарина,
зомана, ви-икс);
2)
Определение, с позиций системного подхода, всех входных факторов и
выходных переменных, взаимосвязей между ними в технологических
процессах уничтожения ХО для решения задачи статической оптимизации
управления с сепарабельным показателем эффективности;
3)
Разработка методики выбора квазиоптимального варианта управления
работой технологических стадий посредством решения задачи линейного
программирования и исследования полученного решения на чувствительность;
4)
Разработка алгоритма координации для оперативного управления работой
технологических стадий, отличающегося учѐтом изменения физикохимических показателей процессов во время уничтожения химического
оружия;
5)
Практическая ценность работы заключается в повышения эффективности,
надежности и живучести АСУТП
комплекса по уничтожению
фосфорорганических отравляющих веществ.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:
1.
Матвеев, Ю.Н. Техническая реализация функций и задач АСУ ТП на
объекте уничтожения химического оружия/ Матвеев Ю.Н., Стукалова Н.А.// М, Промышленные АСУ и контролеры.– 2011.– № 2 .– С.3-7.
16
2.
Стукалова, Н.А. Имитационная модель технологического процесса
уничтожения химического оружия (зарина и зомана) / Стукалова Н.А. Матвеев
Ю.Н., Долженко А.Б. // Интернет-журнал «Науковедение». 2013, №6(22)
[Идентификационный номер статьи в журнале152TVN613]-М.2013.- Режим
доступа: http:// naukovedenie.ru/PDF/152TVN613.pdf(доступ свободный)
3.
Стукалова,
Н.А.
Автоматизированная
система
управления
технологическими процессами уничтожения химического оружия/ Стукалова
Н.А. Матвеев Ю.Н., Долженко А.Б.// Интернет-журнал «Науковедение». 2014,
№4(23) [Идентификационный номер статьи в журнале 54TVN414]-М.2014.Режимдоступа:http://naukovedenie.ru/PDF/54TVN414.pdf(доступ свободный)
Прочие публикации:
4.
Стукалова, Н.А. Процессы образования облака заражѐнного воздуха как
объекта управления / Стукалова Н.А. // Материалы
26
Международной
научно-технической
конференции
«
Математические
методы
и
информационные технологии в экономике, социологии и образовании»- Пенза,
2009,с.19-20.
5.
Стукалова, Н.А. Математические модели процесса формирования
начального источника химического заражения/ Стукалова Н.А. //
Вестник
ТГТУ, Вып. 17, Тверь, 2010, с. 88-92.
6.
Стукалова,
Н.А.
Автоматизированная
система
управления
технологическими процессами уничтожения химического оружия / Стукалова
Н.А., Матвеев Ю.Н. // Материалы 14 Международной научно-технической
конференции « Информационно-вычислительные технологии и их
приложения» - Пенза, 2010,с.88-91.
7.
Стукалова, Н.А. Математические модели процессов распространения
облака заражѐнного воздуха / Стукалова Н.А.// Материалы 14 Международной
научно-технической
конференции
«
Информационно-вычислительные
технологии и их приложения» - Пенза, 2010,с. 91-93.
8.
Стукалова, Н.А. Экологические проблемы уничтожения химического
оружия (статья) / Стукалова Н.А. // Материалы Международной
научнопрактической конференции «Актуальные проблемы науки» - Тамбов, 2011, с.
139-140.
9.
Стукалова, Н.А. Математическая модель объекта управления
технологическими процессами уничтожения химического оружия/ Стукалова
Н.А.// Вестник ТГТУ, Вып. 29, Тверь, ТвГТУ, 2012г., с. 58-62.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа