автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизированная система управления экологическим состоянием химических производств

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ №

Рц^ _ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

11/1. На правах рукописи

<1Ш*

БАЙТОКОВ МАРАТ УАХИТОВИЧ

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Специальность 05.13.07 — Автоматизация технологических процессов и производств

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1994

Работа выполнена в Московской Государственной Академии химического машиностроения.

Научный руководитель — член корреспондент АИН РФ, доктор технических наук, профессор ВОЛОДИН Виктор Михайлович. Научный консультант — кандидат технических наук, доцент ЖАНСАГИМОВ Бауржан Жамельевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ДОРОХОВ Игорь Николаевич; кандидат технических наук, доцент КОЗЛОВ Владимир Ростиславович.

Ведущая организация: Государственный инженерный центр комплексной автоматизации, г. Москва.

Защита диссертации состоится » СЬ^ф^СЛ- 1994 г_

в «^ » час. на заседании специализированного совета Д063.44.022 в Московской Государственной Академии химического машиностроения. Адрес: 107884, ГСП, Москва, Б-66, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии.

Автореферат разослан М^-^ЫТ^- ¡994 г_

Ученый секретарь специализированного совета к. т. н., доцент

Г. Д. ШИШОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Бурный рост промышленного производства и автотранспорта, химизация многих отраслей промышленности, интенсивное развитие теплоэнергетики сопровождается непрерывным увеличением выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу.

Среди предприятий . различных отраслей промышленности наибольший удельный вес в ЗВ имеет черная (18,23) и цветная (10,5%) металлургия, нефтеперерабатывающая и нефтехимическая *(7,1%), нефтяная {6,7%), стройматериалов .(5,5$), угольная (2,7%), лесобумажная (2,32), газовая (1,9£), химическая (1,7%) промышленность; на долю других отраслей приходится 16,4%.

Хотя химическая промышленность выбрасывает в атмосферу в абсолютном количестве меньше вредных Ееществ, чем другие отрасли, но это саше сложные по составу вредные вещества, характеризующиеся наиболее высокотоксичшми свойствами. Важной особенностью химической промышленности .является то, что используя ограниченное количество сырья, она производит практически неограниченный ассортимент продукции.

Достигнутые за последнее время успехи в области разработки методов и средств автоматизированных систем контроля и управления промышленных выбросов и ЗВ вызывают необходимость создания новой технологии оптимального проектирования систем, учитывающей специфику отдельных объектов и допускающей возможность дальнейшего развития, адаптации и самоорганизации как внутри самой системы, так и по отношению к внешней среде.

Возникает необходимость. создания экономного способа организации поиска наилучшего варианта, структурного синтеза системы в условиях ограниченности выделенных ресурсов. Поэтому актуальными являются проведение работ по разработке оптимальной системы контроля и - управления экологическим состоянием химических производств, которая позволяла бы эффективно проводить технологический процесс с учетом анализа экологической ситуации на объекте. При создании оптимального экомониторинга возникает задача синтеза распределенной системы

автоматизированного управления (РАСУ)., которая характеризуется сложностями при определении: распределения функции между уровнями и элементами; оптимального варианта конкретной конфигурации структуры; технического обеспечения системы. От технико-экономических и качественных характеристик выбранного варианта конкретной реализации структуры такой системы будет зависеть эффективность ее работы, то есть такие показатели функционирования как надежность, -экономичность, производительность и т.д.

Поэтому представляет большой интерес проведение еще на стадии проектирования анализа, сравнения и выбора оптимального варианта конкретной реализации структуры распределенной системы.

Целью настоящей работы являются разработка более полной математической # модели загрязнения атмосферы,

методики расчета. концентрационных полей, выбор

структуры' распределенной системы управления. Разработка двухуровневой системы управления экологическим состоянием химических производств", а также разработка алгоритмов управления.

Методы исследования. В процессе решения поставленной задачи в работе использовались аппарат теории автоматического управления, методы математического моделирования и математической статистики, а также пакет программного обеспечения МАТНСАВ (интегрированная программная система автоматизации математических расчетов) для ПЭВМ и другие современные методы исследований на ПЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

разработано более . полная математическая модель загрязнения воздушного пространства для слокных химических производственных комплексов с использованием модели "факела".

- предложены и реализованы методы 'и алгоритмы расчета концентрационных полей, позволяющих в автоматизированном рекиые контролировать экологическое состояние сложных химических объектов.

- разработана методика прогнозирования экологической ситуации при изменении метеорологических условий, с учетом климатических условий кжных регионов Казахстана.

- предложено методика выбора оптимальной структуры распределенной автоматизированной системы управления экомониторшгга больших химических предприятий с применением теории сетей Петри.

- поставлена и решена задача выбора оптимального количества и . мост размещения _ локальных станций автоматизированной системы экоыониторинга.

Практическая ценность заключается в том, что основные результата работы предназначены для создания . системы экологического мониторинга химических производств, городов, а также могут быть полезны при разработке глобального мониторинга для крупных промышленных регионов.

Разработанные алгоритш и программы позволяют .проводить круглосуточный мониторинг экологической - обстановки, контролировать и регистрировать превышение ПДК по заданным параметрам, а также формулировать рекомендации по устранении причин нарушения экологической обстановки. Весь пакет прикладных программ передан на ПО "Новоджамбульский фосфорный_ завод" (ВДЗ-З), АО "Копчагайскзгй фор^ор", завод "Камунмаш", г.Джамбул.

Апробация работы. Теоретические положения и основные • результаты работы докладывались на научных конференциях и семинарах в течение 1989-1993 годов.

1. На республиканской меквузовской научной конференции по математике и механике. Тезисы докладов; г.Алма-Ата, КазГУ, 12-15 сентября, 1989 г., с.68.

2. На областной научно-практической конференции "Повышение эффективности производства на основе внедрения новой техники, передовой технологии". Тезисы докладов; г.Джамбул, ДПКОО, 21-22 сентября, Г989г., с.103.

3. На Всесоюзной научно-практической конференции "Интегрированние". Тезисы докладов; г. Вологда, 17-19 октября

1989 Г., с.74.

4. На Всесоюзной научно-технической конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии". Тезисы докладов; г. Воронек, ВПЧ, 8-12 октября, 1990 г., с.15.

5. На Всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные комплексы для управления технологическими процессами". Тезисы докладов; г. Грозный, сентябрь, 1991 г.,

с.54-55.

6. На -Второй Международной конференции "Системный анализ, моделирование и управление сложными Процессами и объектами на' базе ЭВМ. Тезисы докладов; г. Ташкент, 16-18 ноября 1992 г., С.11-12.

7. На XIV научно-технической конференции. Тезисы докладов; г.Москва, МИХМ, 1-3 февраля 1993 г., с.12.

8. На Восьмой Всероссийской научно-технической конференции "Математические методы в химии". Тезисы .докладов; г. Тула, 27-29 октября, 1993 Г., С.185.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на ' 125

страницах машинописного текста, содержит 16 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает НО наименований. Приложение объемом 2 машинописные страницы.

' ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

_ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и задача исследований, отмечена научная новизна и практическая значиг/ость полученных результатов, приведено краткое содержание работы по главам.

Первая глава посвящена охране атмосферного

воздуха. Приведены параметры состояния атмосферного

воздуха, расчетный метод определения количества, вредных

веществ, поступают:« в воздух.

На основе анализа хизягческих производств приводится понятие экологического состояния таких производств, под котором погашается наличие вредных веществ на территории химического производства, оказывающее прямое ' или косвенное влияние на здоровье человека и другие зшвыо организмы, и соответствие их концентрации предельно допустим нормам.

В конце глзш ос^тг.остп.чэнп постановка задачи исследования, которая включает в себя выбор и обоснование математической модели загрязнения атмосферного воздуха ша "факел.", методику расчета концентрационных полей, прогнозирование экологической ситуации, путем изменения параметров модели, методику выбора оптимальной структуры распределенной системы экомояиторинга, а такие разработку системы двухуровневого оптимального управления экологически состоянием химических производств.

Вторая глава посвяцена математическому моделированию загрязнения воздушного бассейна. lía основе анализа существующих математических моделей загрязнения атмосферы выбрана . и доработана модель "факела", на базе которей построены концентрационные поля, спрогнозированы экологические ситуации при изменении а) • скорости Еетра, б) скорости ^выделения загрязшшцях веществ, в) стгндартшх отклонений раз;,'.еров факела.

Модель "факела" распространения загрязняющих Ееществ в атмосфере для рассматриваемого случая имеет вид

Q ехр 1 ' У ' 2-1

о а и у Z 2 е t у -

(I)

г 1 ' Z-H 2-, 1 • z+H ■ 2-1 ■4

+ ехр - — + -ехр 2 ' 5Z

2 б s -

Модель основаза ' на предположении о непрерывно действующем точечно;,i источнике, какими является 80% источников загрязнения на химических производствах.

Основше требования предъявляемые к модели:

- однородность метеорологического поля в горизонтальном направлении;

стационарность метеорологического поля в

горизонтальном направлении;

- незначительная турбулентность в направлении переноса в сравнении с самим переносом в штоке;

- незначительные физические и химические преобразования загрязняющего вещества за время пребывания в атмосфере (т.е. отсутствие потерь материала за . счет различных стоковых механизмов;

- плоская подстилающая поверхность.

В отличие от других моделей, разработанная модель "факела" используется для расчета концентрации осредненной по времени от нескольких минут до нескольких часов и на расстоянии от нескольких сотен метров до нескольких десятков километров.

Поскольку полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии строго описывает поле осредненной концентрации, возникает вопрос об изучении влияния периода осреднения коэффициентов, входящих в уравнение, на изменение величины наземной концентрации. Прежде всего важно оценить период осреднения направления ветра и коэффициента горизонтальной диффузии. Для получения Еелячин концентрации за период времени, в течение которого проводится отбор проб, рассчитывается средняя величина концентрации с учетом вероятности поворота направления ветра. Таким образом значение средней концентрации вычисляется по формуле:

(у-х з1л <р)

^ -

4 = 1 q}r=0 е чг«р)<3ф, (2)

-тс/г

яг(ф) - вероятность поврога направления ветра на угол ср.

Для того, чтобы определить влияние подъема нагретой струи

получено эмпирическая зависимость между высотой подъема факела (АН) и скоростью ветра по высоте трубы (и), а такке высотой подъема газов и разностью температур (ДТ) выходящих газов и окружающей атмосферой. На основании полученных экспериментальных связей и соотношением в работах Пристли для вертикальной скорости подъема выходящих газов (??), получено интерполяционное'выражение:

АН =

1,5ii0Ro

3,3qRAT

2,5 +

Tr

,2'

(3)

где Нг

диаметр устья трубы, которое используется для оценки

эффективности трубы.

Внешнее осакдение тя;;:елой примеси определялось из соотношения между наземной концентрацией ■ легкой и тяжелой принеси

<JW = Ч

(4)

где х - Функция определялась из численного решения уравнения в широком диапазоне входящих параметров:

W К

1цх -

U,

' н ,

где - скорость оседания загрязняющих веществ.

Воздействие устойчивости атмосферы на уровни наземной

концентрации оценивалось следующим образом: устанавливалась

АТ

связь мезду параметром устойчивости В = —5—, коэффициентом

и,

диффузии к1, скоростью ветра у поверхности земли и1 и _средней дисперсией пульсаций направления ветра <р.

На ' основе этих связей была выведена интерполяционная

формула для некоторой условной функции К = - в

и1<Ро

зависимости от отклонения скорости наземного ветра от фиксированной скорости, равной 2 м/с.

Третья глава посвящена оптимальному контролю и управлению экологическим состоянием химических производств. Задачу " управления экологическим состоянием химического производства нельзя решать без учета всего химико-технологического процесса,. Поэтому она решалась как задача одной из подсистем всей АСУТП, условно называемой подсистемой управлёшя-''экологические состоянием хтшеского производства СГОПЭС).

Задача оптимизации работы ПУЗС заключается не только в минимизации концентрации загрязняющих веществ или уменьшению ЕЫбросов, но и, не препятствовать проведению технологического процесса при благоприятных метеоусловиях.

С этой целью разработано АСУ абсорбционной установкой поглощения. отходящх_,газов..

Основные "'"источшпзггвозмузцений в процессе абсорбцш-расход, состав и температура газа, поступающего на абсорбцию. Основным управляющим воздействием служит расход абсорбента.

Тагам образом работу подсистемы управления экологическим состоянием aomo представить следующим образом: при превышении ПДК загрязняющего вещества, определенного по Ш, и при неблагоприятных »летвоусловиях дается команда на включение АСР абсорбционной установки, что по существу и является управляющим воздействием.

Решение поставленной задачи предусматривает непрерывный контроль экологического состояния химического производства и выработка оптимальных управляющих воздействий в определенные моменты времени (имеется .в виду при неблагоприятных метеоусловиях).

В главе так see проводятся постановка общей задачи оптимальногоуправления--экологическим состоянием химических производств/;:по ;-критерию"минимума - концентрации, загрязняющих

веществ. Она сформулирована и записана следующим образом:

необходимо определить такое значение вектора управления и , при котором производительность (еыход готоеой продукции) дол:-ко быть не ниже заданного и при этом суммарная концентрация загрязняющих веществ будет минимальна.

Для данной задачи критерий оптимальности имеет вид:

I а с-----> mín , 1=1,...,п (5)

1=1 и

где п - количество источников'загрязнения; С - концентрация загрязнявших веществ; а± - коэффициент определения степени отрицательного воздействия на человека и кивуэ природу 1-го загрязняющего вещества;

U - вектор управления-, зависящий от управлений действующих на технологический процесс.

и = ц (G1tG2), • (6)

где G ,G„ - технологические параметры;

Пусть Gy - выход готовой продукции, тогда G^ = f(G1,G0),

причем G^ > G.,3, т.е. выход готовой продукшш не долгкен Сыть нп;::е заданной, а так", как' .рассматриваемое химическое производство есть сло;.шая взаимосвязь технологических стадий, то на. каздой стадии процесса

П

Такш образом глобальную задачу оптшизащги можно записать как:

2 ai Ci—> min 1=1 и

(8)

ct= C.^UJ , 1=1,...,n

ü±= «|>(G11tG21), i=1,...,n

Gyl = i(G1I'G21)> S'3i ,a для локальной задачи оптимизации при выделении одного загрязняющего вещества:

Ci----> min

с1= í(Ut) • (9)

" Gyl.= I1(G11'G2í)^ °У31 где Gy31- координирущая переменная.

Задача координации записывается как:

п

'• 2 Ci(Gyi)----> min , 1=1,...,n (10)

• "t=i - U

В четвертой главе при реализации систем управления объектами с распределенными параметрами предлагается использовать многоуровневые системы управления. Для выбора их структуры применялся метод анализа вариантов конкретных реализаций сложных структур систем и выбора оптимальной конфигурации. Этот метод основан на применении- теории сетей

Петри ( Petri Nets).

Решение проблемы управления в многомерных распределенных системах для сложных технологических процессов с распределенными параметрами может быть основано на использовании многоуровневых систем с распределенным интеллектом ( MDICS).

При этом основные трудности связанные с необходимостью оценивать свойства исследуемых структур 1.Ш1СЗ в виде функции "трех целевых параметров проектирования: времени, стоимости _и качества.

Применение сетей Пзтри' при моделировании структур MDICS и при выборе оптимальноговарианта шеет следующие достоинства:

1. Наглядность и точное соответствие топологии и логики всех представленных сетями Петри моделях.

2. Возможность моделировать и анализировать, применяя разбиение и 'объединение с помощью подплоскостей структуры элементов (аппаратурные и организационные) или функций.

_ 3. Простота, наглядность и точность надежного и численного моделирования пара;гетров качества сложных структур, а . также быстрота и удобство выполнения необходимого анализа с помощь» известных методов и средств сетей Петри при применении ЭЕМ.

4. Возможность проведения простого, наглядного и быстрого изменения и дополнения в моделях.

5. Возможность одновременного анализа всех необходимых количественных и качественных параметров структуры.

6. Возможность выполнения фзгц проектирования сравнением количественных результатов шитации разных вариантов и выбор оптимальной конфигурации с помощью критерия качества.

В работе предлагается привести количественные показатели в нормированные, безразмерные формы с помощью следующего преобразования:

- qj.(e)

Q, (q(u))= - , I =1,2,...,11 (II)

qi(0)

• гдз n - количество параметров;

1 - порядковый номер параметра.

Qip (q(u)) - нормированный количественный показатель;

q(6) - количественный показатель;

q(0) - количественный показатель базисного варианта структуры;

В - вариант структуры ШЕСБ.

Для анализа, сравнения и выбора оптимального варианта структуры I.TDXCS предлагается критерий качества следующего вида:

. ' L

J(6) = £ a^qiB)), (12)

1=1

где J(6) - значение критерия качества для 8-й структуры MDICS;

ах - установленный _ весовой - коэффициент 1-го параметра

качества;

I - число показателей;

Значение весовых коэффициентов отдельных ' параметров качества' устанавливаются экспертами в соответствии с требованиями к качеству MDICS.

При выборе оптимального варианта структура UDICS с помощью критерия некоторые параметры качества необходимо минимизировать (стоимость. аппаратуры, эксплуатации, время проектирования и т.д.),'а-другие - максимизировать (надежность, гарантии фирмы и .т.д.), которые с помощью известных преобразований можно так ;ке свести к задачам минимизации.

В результате анализа и сравнения исследуемых вариантов структур KDICS проводится выбор ' оптимальноо варианта в соответствии с общим критерием

J(6)----> min (13)

При моделировании и анализе структуры MDICS системы

экомониторинга НДФВ (г.Джамбул) были рассмотрены три возможных варианта:

- централизованная система управления,реализованная на одной ЭВМ;

- децентрализованная ЮЮБ без резервирования управляющих компьютеров;

- децентрализованная ЮЮБ с резервированием управляющих компьютеров соседними ЭВМ.

." При анализе структуры указанных трех вариантов ЖИСЭ были рассмотрены следующие' параметры качества:' I) стоимость аппаратуры, 2) стоимость кабелей, 3^) стоимость потерь производства при выходе из строя, аппаратуры, .4) время проектирования, 5) стоимость ремонта при аварийном останове, 6) возможность резервирования управляющее компьютеров соседними.

Результаты вычисления ВД и. Ш приведены в - таблице I. Анализ полученных значений РМ позволяет сделать выбор в качестве оптимального варианта структуры ЮЮБ системы экомониторинга ВДФЗ децентрированную ШЕСё с резервированием управляющих компьютеров соседними ЭВМ, т.е. вариант 3.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ экологического состояния химических, производств. Показана необходимость разработки оптимальной системы экомониторинга химических производств. •

2. Выбрана и доработана математическая модель загрязнения атмосферного воздуха типа- "факел" для промышленного региона, в частности, для южного региона Казахстана.

Исследовано влияние различных факторов на концентрацию примеси, таких как подъем нагретой струи, осаждение тяжелой примеси, устойчивость атмосферы, наличие многих источников и др.

ТАБЛППА 1. Результаты анализа трех вариантов структуры МОЮЗ систем акомояиторинга ПО "НДФЗ". Все еначенкя показателей качества приведены в тыс. руб.

N Параметры качества Весовые коей-ты вариант 1 ввои^нт 2 вариант 3

Р.',! 1 и*1 1 <

1 сто:мссть аппаоатупы .< 0,15 1720 245,7 2545 450,5 59,80 101,4

2 каОелей 0,1 110 57,2 16,2 230 00 74

3 стоимость потерь производства ири выходе из • строя аппаратуры 0,25 505,2 87', 49 120,6 37,31 20,67 6,89

4 время проектирования 0,15 -1 -0,15 +1 +0.15 +1 40,15

"ст01-':0сть ремонта 0,3 420,7 10,9 210,5 52,8 91,9 19.35

6 возможность резервирования 0,15 -1' • -0,15 + 1. +0,15 .4-1 +0,15

е 1 - 259,8 - 595,7 - 155,4

3. Разработана методика прогнозирования экологической ситуации на объекте, учитывающей изменение скоростей ветра, выделение загрязняющих веществ, а так ке метод получения и расчета концентрационных шлей.

4. Разработана методика моделирования и оптимального выбора структуры распределенной системы управления экомониторинга химических производств с применением теории сетей Петри.

5.. Осуществлены постановка задачи оптимального количества и мест размещенич локальных станций системы экомониторинга.

Б. Разработано функциональное, алгоритмическое ' и программное обеспечение подсистемы управления экологическим состоянием АСУГП химических производств.

7. Результаты диссертационной работы" включили в состав проектных решений по созданию распределенных АСУТП и используются при разработке программного обеспечения системы непрерывного экомониторинга для АО "Капчагайский форфор" - и завода "Комунмаш" г. Джамбул.

По-теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Байтоков М.У. "Исследование— зависимости выходных параметров многомерного объекта автоматического управления отуправляющих воздействий". Бибилиогр.указ.ВИНИТИ "Депонированные^научные работы" М.,1989, N8(214),стр.152.

2. Володин В.М., Жансагимов Б.Я., Байтоков М.У., Тилигенов ' ■ А.И., Туребеков С.Ш. Метод декомпозиции при автоматизированном проектировании оптимальных САУ объектам! -с распределенными параметрами. Тезисы докладов, г.Алма-Ата, Каз.ГУ, 1939 г.,

С.68.

3. Жансагимов Б.Ж., Байтоков М.У.Демиргалиев Т.К., Тилегенов А.И. Новый, подход к автоматизации сушильных установок. - В кн. "Повышение эффективности производства на основе внедрения новой техники, передовой технологии", г.Джамбул, 1989 г., с.103.

4. Володин B.W., Жансагимов Б.Я., Байтоков М.У..Тилегенов

А.И. К вопросу автоматизированного проектирования оптимальных САУ объектами с распределенными параметрами. В кн.

"Интегрированные системы автоматического проектирования". г.Вологда, 1989 г., с.74.

5. Жансагимов Б.Ж., Байтоков М.У..Тилегенов А.И. Методика автоматизированного проектирования оптимальной САУ процессами текстильной промышленности. - В кн. "Устройства и системы электрооборудования текстильных предприятий". М., МТИ, 1990г.

6. Володин В.Ы., Жансагимов Б.Ж., Байтоков М.У..Тилегенов А.И. Моделирование структуры-распределенных систем с -помощью сетей Петри. Тезисы докладов, г.Грозный, 1991 г., с.54.

.7."Володин В.М., Жансагимов Б.Я., Байтоков М.У. Анализ структуры различных вариантов реализаций распределенных систем экологического мониторинга. Тезисы докладов, г.Ташкент, 1992 р., с.II.

8. Байтоков М.У. Выбор функциональной структуры системы экомондторинга. На XIV научно-технической конф.. Тезисы докладов, М., 1993 г., с.13.

9. Байтоков М.У.,Володйн В.М., - Жансагимов Б.Ж. Моделирование и анализ структуры распределенных систем с помощью сетей Петри. Тезисы докладов, г.Тула, 1993 г., с.194.