Моделирование нелинейных характеристик для текущего контроля в АСУТП

Актуальность работы. Решение задачи обеспечения качества функционирования технологического процесса и оборудования обуславливается многими прогнозируемыми и непредвиденными факторами. При этом, в зависимости от конкретизации задачи — либо улучшение функционирования оборудования или производства, в целом, либо удержание достигнутого уровня качества функционирования, используют различные методы достижения цели.

В первом случае задача решается за счет совершенствования АСУ, которая постепенно обрастает дополнительными устройствами управления и регулирования, способствующими улучшению ее функционирования и повышению качества выпускаемой продукции [1]. Однако это в большей степени связано с мероприятиями перспективного плана, чем с процессом достижения плановых показателей рентабельности производства.

Во втором случае наиболее существенная роль отводится решению задач соблюдения конструкторско-технологической дисциплины, поддержания требуемого состояния технической среды и мероприятиям по ремонтно-профилактической деятельности в рамках установленного регламента (ТУ, ОСТ, ГОСТ). Если соблюдение конструкторско-технологической дисциплины и поддержание требуемого состояния технической среды — это, в основном, организационные функции в структурах автоматизированных систем управления предприятием, то ремонтно-профилактическая деятельностьэто в значительной мере технические мероприятия конкретного производства, по существу, определяющие текущие показатели производительности и его эффективности.

Особенно это касается недостаточно оснащенных современным оборудоv ванием производств или производств с трудно контролируемыми средами, неконтролируемыми агрессивными и радиационно неустойчивыми средами. В силу специфики реальных отечественных производств их технологические процессы могут протекать в условиях, характеризующихся непрогнозируемыми временными или периодическими отклонениями климатических параметров, показателей запыленности, вибро-, теплои холодоустойчивости, нестабильностью энергообеспечения, трудно планируемых процессов замены материалов и комплектующих изделий, отклонений в технологической и конструкторской дисциплине. Функционирование приборов и оборудования в таких обстоятельствах объективно ведет к непланируемым процессам снижения надежностных показателей, изменениям срока службы и, в конечном итоге, к непригодности их применения в структурах АСУТП.

Поэтому остаётся важным решение вопросов о порядке проведения мероприятий ремонтно-профилактической деятельности, составе подобных мероприятий, их технической оснащенности, прогнозирования качества функционирования технических агрегатов, схем и технологических процессов.

Оценка методологической базы этих вопросов показывает, что основу их решения составляют задачи контроля совокупных параметров технических средств, которые в аспекте единой структуры АСУТП представляются, прежде всего, задачами контроля законов преобразования входной информации для всех технических средств. Контроль законов преобразования предполагает предварительное моделирование функциональных связей входных и выходных цепей контролируемых устройств.

В связи с этим до настоящего времени не теряют своей актуальности вопросы построения аналитического описания нелинейных характеристик приборов и оборудования, определяющих закономерности преобразования входных сигналов.

Объектом исследования в предлагаемой работе являются технические средства АСУТП и их структуры.

Предметом исследования — аналитическое представление закономерностей преобразования сигналов в технических средствах АСУТП.

Целью диссертационной работы является разработка методики аналитического описания нелинейных характеристик технических средств АСУТП для обеспечения непрерывного контроля качества функционирования оборудования системы управления.

Для достижения цели работы в диссертационном исследовании поставлены и решены следующие задачи:

— анализ технических средств, применяемых в АСУТП, и основных особенностей их нелинейных характеристик;

— анализ существующих средств и методов аналитического описания этих характеристик;

— создание теоретических положений аналитического описания нелиней-ностей с требуемыми особенностями;

— разработка и исследование интерактивной системы построения аналитического описания нелинейностей;

— создание методики проведения процессов построения аналитического описания нелинейных сигналов;

— внедрение разработанной методики в АСУТП для построения аналитических моделей переходных процессов элементов системы.

Методы исследований. При решении сформулированных задач использованы методы теории моделирования, теории управления, вычислительной и прикладной математики, теории графов и прикладного программирования.

Научная новизна проведенных исследований заключается:

— в разработанном и теоретически обоснованном подходе к построению аналитических описаний нелинейных характеристик технологического оборудования, в основе которого лежат экспоненциальные приближения с визуальным контролем поведения аппроксимирующей функции и интерактивным подбором параметров агрегатируемых гауссовых функцийв предложенной структуре и алгоритмах функционирования интерактивной системы построения аналитических описаний нелинейных сигналов, учитывающих специфику работы подсистемы текущего контроля оборудования АСУТП;

— в построении графовой модели (в виде сети Петри), отражающей взаимодействие человека и ЭВМ в процессе интерактивного построения аналитического описания нелинейных сигналов на основе экспериментальных данныхв разработанной методике создания аналитических описаний сигналов по их экспериментально измеренным значениям, в основе которой лежит применение программной реализации интерактивной системы построения аналитических описаний нелинейностей.

Практическую ценность работы определяют: программная реализация интерактивной системы построения аналитических описаний нелинейных сигналов- *.

— реализация предложенной методики для построения аналитических описаний вольтамперных характеристик электронных элементов в АСУТП цементного производства и АСУТП производства спирта;

— полученные аналитические характеристики элементов АСУТП на Белгородском цементном заводе и АСУТП Веселолопанского спиртзавода.

На защиту выносятся следующие положения: подход к построению аналитических описаний нелинейных характеристик технологического оборудованияструктура и алгоритмы функционирования интерактивной системы построения аналитических описаний нелинейных сигналовмодель организации диалогового интерфейса при построении аналитических описаний нелинейных сигналов;

— методика создания аналитических описаний сигналов по их экспериментально измеренным значениям.

Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на:

— на Международной конференции «Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энергои ресурсосбережение в условиях рыночных отношений» в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов в 1997 г. (г. Белгород),.

— на Международной научно-практической конференции-школе-семинаре «Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века» в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов в 1998 г. (г. Белгород),.

— на Международной научно-практической конференции «Качество, безопасность энергои ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века» в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов в 2000 г. (г. Белгород),.

— на Седьмых академических чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов в 2001 г. (г. Белгород);

— на Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» в Орловском государственном техническом университете в 2004 г. (г. Орёл).

Реализация работы. Основные результаты работы использованы:

— при выполнении тематики по «Разработке теоретических основ и методики создания интегрированных АСУ в производстве строительных материалов и конструкций» (тема № 1.15.93 «тематического плана НИР БелГТАСМ» (г. Белгород) 1993 — 1997 гг.);

— при выполнении работ по «автоматизации процессов контроля и прогнозирования функционирования оборудования тепловых пунктов» (Договор № 32/96 от 1 ноября 1996 г. БелГТАСМ с МУП Гортеплосети (г. Белгород), 1996;1997 гг.);

— при выполнении работ по построению моделей электромеханических преобразователей для АСУТП обжига цементного клинкера на Белгородском цементном заводе (г. Белгород) в течение 1997;1998 гг.

— при осуществлении контроля параметров технических средств АСУТП на Весёлолопанском спиртовом заводе (г. Весёлая Лопань), 1998 — 2003 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 136 страницах основного машинописного текста и включает 8 таблиц, 51 рисунок, список литературы из 113 наименований и 4 приложения, общим объемом 195 страниц.

ОБЩИЕ ВБ1ВОДБ1.

1. Анализ задач текущего контроля оборудования, особенностей и характеристик функционирования технических средств АСУ ТП показал, что применение традиционной методики аппроксимации не гарантирует построение подходящей модели нелинейных характеристик элементов системы.

2. Процессы моделирования нелинейных характеристик сигналов являются неотъемлемой составляющей комплексной оценки качества элементов, узлов и структур технических средств АСУТП и получения превентивных Ьыводов о необходимости проведения ремонтно-профилактических мероприятий.

3. При определении параметров аппроксимации в реальных условиях необходимы интуитивные соображения, исходя из физического смысла задачи, преследуемой цели, желаемой точности и т. д. или многоэтапные численные процедуры подбора обобщенного многочлена фу (*)> минимизирующего тах|/(д:)-Ф^(х)|, что практически не позволяет в общем случае успешно решить задачу.

4. Предлагается решать задачу приближения исходной нелинейности за счет поиска хотя бы одного из обобщенных многочленов {Ф^.(х)}, в общем случае, отличных от многочлена наилучшего приближения, но удовлетворяющих заданной погрешности.

5. С точки зрения дальнейшего использования, наиболее эффективным для построения аналитических описаний нелинейных сигналов являются экспоненциальные приближения.

6.

Введение

в ходе построения аналитического описания визуального контроля над поведением аппроксимирующей функции и строгая процедура интерактивного взаимодействия «человек-ЭВМ» определения наиболее подходящих на конкретном шаге аппроксимации параметров агрегатируемых гауссовых функций.

7. Разработана структура программных средств интерактивной системы построения аналитических описаний нелинейных сигналов, входящая в состав подсистемы текущего контроля оборудования АСУТП, и учитывающая особенности ее функционирования.

8. Разработана модель организации диалога в виде сети Петри, описывающая функционирование интерактивного интерфейса системы построения аналитических описаний нелинейных сигналов.

9. На основе предложенной структуры программных средств и модели интерактивного интерфейса созданы алгоритмы и реализован программный комплекс построения аналитических описаний нелинейностей.

10. Предложена методика создания аналитических описаний сигналов по их экспериментально измеренным значениям, в основе которой лежит применение программной реализации интерактивной системы построения аналитических описаний нелинейностей.

11. Показано применение разработанной методики для построения аналитических описаний формы вольтамперной характеристики компонент 4 электронных схем (на примере туннельного диода 1И104), что дает возможность эффективных аналитических исследований моделей этих схем, описанных дифференциальными уравнениями.

12. Разработанный программный комплекс и методика построения аналитических описаний нелинейных характеристик оборудования использованы при создании и эксплуатации АСУТП обжигацементного клинкера (управление главным приводом вращающейся печи) и АСУТП ректификации КССЖ при производстве спирта.