автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Программно-алгоритмическое обеспечение измерительной системы контроля и управления технологическим процессом термического уничтожения отходов

На правах рукописи

Иващенко Олег Александрович ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ТЕРМИЧЕСКОГО УНИЧТОЖЕНИЯ ОТХОДОВ

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

005537952

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2013

005537952

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)», на кафедре информационно-измерительных систем и технологий.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Алексеев Владимир Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кондрашкова Галина Анатольевна,

заведующая кафедрой информационно-измерительных технологий и систем управления Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров

кандидат технических наук, Шевченко Сергей Юрьевич,

доцент кафедры лазерных информационных навигационных систем Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный Политехнический университет»

Защита диссертации состоится "04" декабря 2013 г. вчасов на заседании диссертационного совета Д 212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5, ауд. 5108.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 2013

Учёный секретарь совета, к.т.н., доцент

Боронахин А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Современные информационно-измерительные и управляющие системы (ИИУС) предназначены для решения сложных задач контроля и управления различными технологическими процессами (ТП). Актуальность их применимости к опасным термическим ТП объясняется тем, что с их помощью решается не только задача контроля и управления технологическими параметрами процесса, но и задача предупреждения экологической опасности. В связи с этим, должен быть обеспечен контроль экологических параметров ТП и управление ТП с целью недопущения возникновения аварийных ситуаций, приводящих к авариям и негативным воздействиям на окружающую среду.

Технологический процесс термического уничтожения отходов (ТП ТУО) является экологически опасным, энергоёмким и требует особого отношения к обеспечению его безопасного протекания. Сложность контроля и управления обуславливается тем, что состав и плотность мусора непостоянны. Поэтому сложно прогнозировать протекание процесса, формировать упреждающие воздействия, обеспечивающие его безопасное протекание, предотвращающие аварийные ситуации и аварии. Аварии на высокотемпературном технологическом процессе могут оказывать воздействия на окружающую среду, наносить большой материальный ущерб и вред здоровью людей.

В работе рассматривается создание программно-алгоритмического обеспечения ИИУС, позволяющей контролировать и своевременно формировать управляющие воздействия на основании идентификации текущей ситуации с целью безопасного и экологичного протекания ТП ТУО.

Целью работы является исследование и разработка программно-алгоритмического обеспечения ИИУС, позволяющего поддерживать ТП ТУО в безаварийном состоянии за счёт его контроля и выработки управляющих воздействий.

Задачи исследований:

— обеспечение надёжности идентификации аварийных ситуаций и аварий;

— определение параметров измерительного канала для обеспечения требуемой точности оценки состояния ТП ТУО и своевременного формирования управляющего воздействия (УВ);

— разработка алгоритма формирования УВ;

— разработка структуры ИИУС, позволяющей проводить оптимизацию состава средств измерения (СИ);

— разработка алгоритма определения оптимального состава СИ ИИУС.

Методы исследований базируются на методах прикладной статистики, теории исследования операций, общей теории оптимизационных задач, алгоритмической теории измерений и методов расчета погрешностей, а также накопленном к настоящему времени опыте и результатах в области проектирования измерительных систем.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Полученные выражения, определяющие требования к метрологическим характеристикам (МХ) измерительного канала (ИК), обеспечивающего контроль текущего значения и скорости протекания процесса в условиях шумов с заданной точностью с целью надёжной идентификации аварийных ситуаций ТП ТУ О;

2. Алгоритм формирования УВ, отличающийся обеспечением оптимального перехода ТП ТУО из одного состояния в другое с целью предотвращения аварийной ситуации с заданной надёжностью;

3. Структурно-алгоритмическая организация программной системы управления, отличающаяся возможностью подключения различных СИ с целью обеспечения надёжности идентификации аварийных ситуаций и управления ТП ТУО;

4. Методика построения ИИУС с оптимально выбранной номенклатурой СИ, рассчитанная на эффективное использование функциональных возможностей разработанного программно-алгоритмического обеспечения.

Научная новизна. В процессе проведения исследований получены новые научные результаты:

- выражения, определяющие требования к МХ ИК, обеспечивающего контроль текущего значения и скорости протекания ТП ТУО с заданной точностью;

- алгоритм формирования УВ в соответствии с полученным фазовым пространством, обеспечивающий оптимальный переход ТП ТУО из одного состояния в другое с целью предотвращения аварийных ситуаций;

- структурно-алгоритмическая организация программной системы управления, обеспечивающая возможность подключения различных СИ и требуемую точность результатов измерения;

- методика построения ИИУС с оптимально выбранной номенклатурой СИ, рассчитанная на эффективное использование функциональных возможностей разработанного программно-алгоритмического обеспечения.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- реализован алгоритм формирования УВ, построенного на базе предложенных выражений для измерения текущего значения и скорости протекания процесса;

- разработан программный комплекс, обеспечивающий возможность подключения различных СИ и требуемую точность результатов измерения, положенный в основу поученных внедрений;

- разработана методика построения ИИУС, обеспечивающая предупреждение аварийных ситуаций и аварий.

Реализация и внедрение результатов работы.

Теоретические положения, методы и результаты исследований диссертации использованы:

- при выполнении научно-исследовательской работы «Исследование процессов управления, разработка элементов АСУ» 6640/ИИСТ-161 при со-

здании «Системы экологического мониторинга технологического процесса термического уничтожения отходов СЭМ ИН50» в 2005 г. (акт о внедрении от 2006 г.)

- при выполнении научно-исследовательской работы «Создание интеллектуальной системы мониторинга и управления энергопотреблением с прогнозируемым метрологическим ресурсом в зданиях и сооружениях», государственный контракт № 16.516.11.6039

- при выполнении научно-исследовательской работы ООО «Фортуна» (акт о внедрении от 25.06.2013);

- при обучении магистров в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» по дисциплине «Локальные измерительно-вычислительные системы» магистерской программы «Приборы и методы контроля качества и диагностики».

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международного конгресса «Цели развития тысячелетия и инновационные принципы устойчивого развития арктических регионов»; научно-практической конференции «Наукоемкие и инновационные технологии в решении проблем прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий» (Санкт-Петербург, 2009-2011 гг.); научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург, 2011-2013 гг.); международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2011 г.); международной конференции «Лазеры, измерения, информация» (Санкт-Петербург, 2012 г.); международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2012 г.).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 19 публикациях, среди которых 4 научные статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 8 - в научных сборниках и трудах российских и международных конференций, 1 учебное пособие, 6 свидетельств регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами и заключения. Она изложена на 138 страницах машинописного текста, включает 34 рисунка, 4 таблицы и содержит список литературы из 71 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи исследования, научные и практические результаты и основные положения, вносимые на защиту.

В первой главе проведён анализ существующих опасных термических ТП и методов построения систем их контроля и управления.

Анализ современных ИИУС, используемых в ТП таких технических систем, как высокотемпературное производство, термическое уничтожение опас-

ных отходов, управление климатом в зданиях и сооружениях показал, что ИИУС подобного класса имеют высокую сложность, так как, как правило, оптимальным вариантом их построения является распределение функций измерения и управления по конкретным узлам. В этом случае структура ИИУС разделяется на несколько уровней по горизонтали, где на нижнем уровне локальная ИИУС управляет конкретными объектами или узлами, а на верхнем уровне производится мониторинг и определение характеристик протекания процесса в целом с целью предупреждения аварийных ситуаций и аварий. Показана необходимость создания программно-алгоритмического обеспечения ИИУС контроля и управления опасными ТП, направленное на предотвращение экологических и технических аварий.

В информационно-измерительных системах контроля и управления техническими и технологическими процессами, процессами потребления энергии в быту и на производстве и др. для идентификации текущего состояния и предупреждения аварийных ситуаций осуществляется контроль значений информативных параметров. Однако задача предупреждения аварийных ситуаций требует также прогнозирования текущего состояния. В связи с этим возникает необходимость измерения скорости изменения информативного параметра с требуемой точностью, что также влияет на надёжность идентификации текущего состояния. В работе на примере ТП ТУО рассмотрены вопросы формирования требований к МХ ИК с целью надежной (с заданной вероятностью) идентификации текущей ситуации.

Показано, что необходим комплексный анализ ТП ТУО, на основании которого выявляются перечень измеряемых сигналов и их модели. Для важных информативных параметров должен быть произведён анализ их метрологических и динамических характеристик, на основе которого должны быть предъявлены требования к ИК.

Важнейшими алгоритмическими составляющими управления ТП ТУО с целью предотвращения аварийных ситуаций и аварий являются идентификация текущей ситуации и формирование управляющего воздействия на её основе. В связи с этим необходима разработка алгоритмического обеспечения, позволяющего надёжно идентифицировать состояние ТП ТУО и сформировать своевременное управляющее воздействие, ведущее к скорейшей безопасной стабилизации процесса.

В настоящее время существует большое разнообразие ТП, СИ, средств промышленной автоматизации, направленных на создание ИИУС ТП. В связи с этим необходима разработка методики создания таких систем, позволяющая подключать различные СИ и выбирать их состав оптимальным образом. Показана необходимость разработки аппаратно-программной системы, позволяющей обеспечивать контроль и управление ТП ТУО с заданной точностью, а также оптимальным образом выбирать состав СИ, используемых для контроля процесса независимо от программно-алгоритмического обеспечения ИИУС.

Глава 2 посвящена разработке и исследованию алгоритмического обеспечения ИИУС.

Предложен алгоритм определения нижних и верхних порогов аварий и аварийных ситуаций для каждого информативного параметра на основе анализа вероятностей ошибок первого и второго рода в предположении известных априори законов распределения информативного параметра и результатов контрольных измерений.

Режим аварийной ситуации может быть определен, если результат измерения находится в интервале между Тгас и Г^, т.е. Тгас < < Т(а.

Вероятность принятия решения об аварийной ситуации в то время, когда она не наступила, определяется условной вероятностью

Ркс = Р&>51ас + да31/Т1<Т1ас)= | | р25;(5/Т)Р7.,(Г)^5 Р&с,

о

О)

вероятность необнаружения аварийной ситуации при её наличии

г(а

О Г/

'ас

(2)

Исходя из полученных выражений и заданных вероятностей ошибок (Р^и Р/а*), находятся пороговые значения Т;ас и Т;а.

Точность измерения скорости изменения информативного параметра в данном случае напрямую влияет на надёжность идентификации состояния ТП ТУО и, в конечном счёте, на адекватность формирования УВ.

Выбран алгоритм измерения скорости изменения значений информативного параметра, позволяющий обеспечить заданную точность при наличии шумов и частично известной динамике процесса. Оценка значения скорости процесса для выбранной модели сигнала Г (О = + а0 записывается в следующем выражении:

£¿1 ■ п — (1л ■ йз

Т'СО = ах = -

а2-п-аъ

п _п п п

где = £ *ЧТ1Ч; = £ ; с!3 = £ ; й4 = £ Т1ц ;

4 = 1 4 = 1 Ч=1 4=1

tq - q-e значение аргумента (времени); Т^ - q-e значение ¡-го информативного

параметра.

Оценка дисперсии погрешности косвенного измерения скорости процесса определяется формулой:

аі

4=1

п ■ 5|

где ; = ^ с, = Г~; 5* = - Э2:

<7=1 4 = 1 4=1

где ст2 - дисперсия опытных значений Т^ (дисперсия шума).

На основании полученных выражений и проведённого анализа сформулированы требования к измерительному каналу, соблюдение которых обеспечит заданную точность измерения скорости изменения информативного параметра.

На основании анализа свойств интервальных оценок определим минимальное число отсчётов, при котором обеспечивается непревышение допусти-

мого значение случайной составляющей погрешности:

, 2

пт;„ = (/с(Р)--СТг

-■ел

-■ел.

(3)

где Дсл - допустимое значение случайной составляющей погрешности; /с(Р) -коэффициент, зависящий от закона распределения и доверительной вероятности (например, для нормального закона распределения вероятности 0.997, этот коэффициент будет равен трем, т.н. правило «трёх сигм»); а* = - оценка

СКО многократного измерения, где п - число измерений, асл - СКО однократного измерения.

Установлено, что максимальная кривизна модели сигнала (точка 2 рис. 1) может достигаться, когда при максимальной скорости изменения (точка 1 рис. 1) формируется экстренное управляющее воздействие, останавливающее нежелательное развитие процесса, и, в пределе, меняющее скорость изменения сигнала на противоположную (точка 3 рис. 1).

Получен максимальный интервал усреднения т„тах и максимальный показатель кривизны \а2\тах'> обеспечивающие нахождение погрешности нелинейности на допустимом уровне:

л Л"

Іа2Іг

«1

«1 2

4 ■ Д

1 "н

(4)

Получено выражение, для максимального интервала дискретизации:

л І^нелинІ

итах Ипм'п

4 ■ Д

\ "елд/

Ы ■ ■ О2

(5)

7"з(£), \тах\

Рис. 1. Модель сигнала в случае максимальной кривизны

В результате анализа пороговых значений Т;ас и и МХ ИК построено фазовое пространство (Рис. 2), на основании которого разработан алгоритм формирования УВ, состоящий в идентификации текущей ситуации с заданной надёжностью и выработке определённого для данной ситуации У В.

„Г1а2 Лас2

т. т.

, 'а1 1 'ас1

Т.'

1 1. т .

I.......|

|т. 1т. „ '1 . 12

Т '

-о—

г/, ш &

- *........(................I

Т Т «т

'р . 'р-'М'п г.

...................................Т------—■—-,>'' I

Т/г Т1Х

I............I

■ -Т-'

_----*_1 л

Рис. 2. Фазовое пространство возможных ситуаций

Показано, что в общем виде управляющее воздействие для у'-го исполнительного устройства (ИУ) на основании текущей ситуации, представленной г-м информативным параметром, записывается в виде

и^тГ.тП = г[пРН],тГ,тГ\

где Тор(.. - двумерное множество ситуационных кортежей (фазовое пространство), определяющее область всех возможных состояний ТП по г'-му информативному параметру дляу'-го ИУ (рис. 2).

v=l...m-l

где п - количество градаций области возможных ситуаций по значению г'-го контролируемого параметра; т- количество градаций области возможных ситуаций по значению производной г-го контролируемого параметра; Г„*Р£ -

ситуационный кортеж, содержащий границы интервала значений г'-го контролируемого параметра и границы интервала значений скорости изменения /-го контролируемого параметра, определяющих конкретную ситуацию, а также содержащий параметры УВ для 7-го ИУ.

где [^¿р, т1р+1] ~ интервал значений г-го контролируемого параметра; [^'„»^¡'„-ц] - интервал значений производной г-го контролируемого параметра; \Pijpv } ~ последовательность элементарных управляющих воздей-

ствий, где = - ступенчатое управляющее воздействие с

длительностью ¿'уру^и амплитудой

г

=

к-1

0, если £

_

1=1

к-1 к

АЬр»к'если

1=1 1=1 к

0, если £ > ^

1

¡=1

„С^Л^г'*) — ¡ТУ (т*р1_, 7)*, Т/*), где ¡ТУ - оператор поиска ситуации,

соответствующей Г;* и Г/*. Оператор поиска /ГКдолжен удовлетворять следующему критерию:

Г Т(р < 7Г <

^ 7Г < Г,'^'

Пример оптимального переходного процесса и УВ показан на рис. 3. Результаты второй главы послужили основой для создания программно-алгоритмического обеспечения ИИУС контроля и управления ТП ТУО.

Глава 3 посвящена разработке аппаратно-программного обеспечения ИИУС контроля и управления ТП ТУО.

Разработана многоуровневая структура программно-алгоритмического обеспечения ИИУС (рис. 4), не зависящая от состава, расположения и интерфейсов имеющихся средств измерения, что даёт возможность оптимизации состава средств измерений по выбранному критерию независимо от алгоритмического и программного обеспечения.

В работе также представлена обобщённая схема организации аппаратно-программного уровня ИИУС. Для взаимодействия между локальной ИИУС (ЛИИУС) и операционным уровнем системы используются различные стандартные сетевые интерфейсы (Ethernet, RS-485) и протоколы (Serial Modbus, Modbus-TCP, Modbus-UDP).

Рис. 4. Структурная схема программного обеспечения ИИУС

Разработана программная структура «логический канал» (ЛК) (Рис. 5), которая обеспечивает получение измеренного значения от объекта (контроль) и задание необходимого управляющего воздействия для объекта (управление) таким образом, что вся реализация получения и преобразования значений и адресов скрыта следующими уровнями абстракций: ЛК; физический канал; узел полевой шины; полевая шина. ЛК позволяет динамически подключать функциональные расширения для повышения точности ИК.

Логические каналы

Физические каналы (измерительные модули)

Конфигурация Системы

■а 1~1 п I;

Полевые шипы

У^ЛЫ по.чч-вых шин (ПЛК)

■А и с -1 п г

ТПТУО

Рис. 5. Операционный уровень

Разработанное программно-алгоритмическое обеспечение обеспечивает возможность подключения различных СИ и требуемую точность результатов измерения. Результат измерения сигнала Я; с помощью СИ ту имеет вид

где Л - функция преобразования соответствующих блоков ИК: первичного измерительного преобразователя (ПИП), вторичного измерительного преобразователя (ВИП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), масштабирования, цифровых преобразований, интерфейса, ЛК.

Хранение измерительных данных организовано таким образом, что по ним можно вычислить значения характеристик ТП и их динамику. Это послужило основой системы мониторинга, окно которой представлено на рис. 6. Она входит в состав разработанного программного комплекса, который является основой построения ИИУС контроля и управления ТП ТУО, реализованной в ЗАО «ТД Турмалин», ООО «Фортуна» и НИР ИИСТ-27.

и / Iм-

Рис. 6. Окно системы мониторинга

Глава 4 посвящена реализации методики создания ИИУС. В рамках решения задачи оптимизации состава ИС ИИУС разработан алгоритм (AI) определения состава СИ ИИУС, который состоит из следующих этапов:

1. Формирование ТЗ. Определяется множество измеряемых сигналов S — [si = {a)j0S}; i е /; 8 е 0S} и их характеристик. Для каждого сигнала формируется вектор параметров сигнала = {«¿в;;}> представляющий собой перечень требований для измерения. Формируется показатели качества системы, которые выступают в качестве критерия эффективности: p[(o0J(mi;)] > ^95,06 0!; v[ü>9;(m£;)] > Ü6s,ee02;

V[ü>e;-(mv)] = Y.jejsSe£04 a9 ' "Heij(mi;) min. Затем определяется множество СИ М = |m.j = {ü)j9s}| и для каждого СИ формируется вектор

его метрологических и технических параметров.

2. Сокращение пространства поиска путем отсеивания средств, не удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к СИ параметрами сигналов М' = GEL9g01(Ai, 5). В случае М' = 0 осуществляется переход к шагу 1.

06©2 0603

3. Сокращение пространства поиска путем отсеивания средств, не удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к реализации системы

М" = GELEee©! См', s) 0602

В случае М = 0 осуществляется переход к шагу 1.

4. Определение номенклатуры СИ для построения ИИУС, оптимальной относительно выбранного критерия эффективности

м.<, = 1 и ГП]3 = Мч/ (У{ти) = т'п)

Че/ '

В случае М$ = 0 осуществляется переход к шагу 1.

В работе показано, что предложенный алгоритм позволяет определить состав СИ ИИУС, обеспечивающий все требования контрольных измерений для заданного ТП и минимальное значение критерия эффективности.

Разработана методика построения ИИУС контроля и управления ТП ТУО, которая содержит следующие этапы:

1. Анализ ТП ТУО и определение моделей измеряемых сигналов;

2. Анализ МХ и формирование требований к ИК, назначение порогов аварийного состояния и аварии (1)-(2);

3. Анализ динамических характеристик процесса и формирование требований к ИК (3) - (5);

4. Построение фазового пространства (рис. 2);

5. Разработка и назначение алгоритмов управления (6)-(8);

6. Формирование ТЗ на определение состава СИ ИИУС и выбор состава СИ ИИУС (алгоритм А1);

7. Настройка программно-аппаратной системы на реализацию функций спроектированной ИИУС (Рис. 8).

Результаты диссертационной работы внедрены в ЗАО «ТД Турмалин» в виде локальной системы контроля и управления печью и системы мониторинга (рис. 6). Примеры реализации локальной системы управления печью и настройки системы приведены на рис. 7 и рис. 8 соответственно.

Рис. 7. Реализация ЛИИУС

f Распредел

шим]

File Joels V/indows

i £3 System

Й- Полевая шина Etliemel

Контроллер [Адрес ППК - 0]

З- <343> Физический канап (2-81} (VVAGO [О]: аналоговый мод/ль ввода. Размер - 5 регистров) ;•••• Логический канал Температура помещения ОП(2-173 Id = 1 • Логический канал Влажность помещения ОП[3-18] И = 2 Логический канал Температура улииы ОП(4-19; Id = З

Логический канал ІІ ОП[6-21] И = 5

Логический канал Температура ¡для настройки}(2-17] И =1111111111 Логический канал Влажность (для настроЙкиДЗ-18] И = 1111111112 р, <247> Физический канал [512-543] О/УАЗО [0[: аналоговый модуль вывода. Размер - 2регистров Логический канал Управляющий канал аналоговый 1 [512-527] И = 12 Логический канал Управляющий канал аналоговый2[513-528] И = 13 О- <348> Физический канал [512-5131 (ДОАбО [С]: дискретный моду ль вывода. Размер - 8 бит}

: Логический канал Управляющий канал цифровой[512-519] И = 14 Контроллер [Адрес ППК - 8]

Э <344> Физический канал [4-83] (Л'АЗО [0]: аналоговый модуль ввода. Размер - 5регистров)

■ Логический канал Температура помещения ТП[4-19] й = 8

■ Логический канал Влажность помещения ТП[5-20] И = 7 ;■•■■ Логический канал Температура улицы ТП[6-21} И = 8

; Логический канал Влажность улицы ТП[7-22] И = 9 ; Логический канал Теплота ТЩ8-23] й =10 : Логический канал Ш ТЩ9-24} Ш = 11 Й- <351 > Физический канал [512-543} (МАСО [0]: аналоговый модуль вывода. Размер - 2 регистров і— Логический канал Управляющий канал аналоговый1(512-527] И = 15 ••••■ Логический канал Управляющий канал аналоговый2[513-528] И = 16 И- <362> Физический канал [512-519] {ДОАЗО [0]: даскретный модуль вывода. Размер - 8 бит} : Логический канал Убавляющий канал ииФровой[512-519} М = 17

PhysicalChannelld 343 Size IS

Address Shift Poll Period Description Min Value Max Value

1000

Влажность улииы ОП

ІШШШЮО Ш^МЮОШШ}

Прямое преобразование

] ЙД

Попееыешины I Узлы і Физ.каналы : Лог.к

Получить» І «Обновить і

Рис. 8. Окно настройки ИИУС контроля и управления ТП ТУО

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы:

1. Сформулированы требования к МХ ИК, обеспечивающих контроль текущих значений и скоростей протекания ТП ТУО с заданной точностью в условиях шумов с целью надёжной идентификации аварийных ситуаций;

2. Предложен алгоритм формирования УВ, отличающийся обеспечением оптимального перехода процесса из одного состояния в другое для предотвращения аварийной ситуации с заданной надёжностью;

3. Разработана и реализована структурно-алгоритмическая организация программной системы управления, отличающаяся возможностью подключения различных СИ с целью их оптимизации и обеспечения требуемой точности результатов измерения для обеспечения надёжности идентификации аварийных ситуаций и управления ТП ТУО;

4. Предложена методика построения ИИУС с эффективно выбранной номенклатурой СИ, рассчитанная на использование функциональных возможностей разработанного программно-алгоритмического обеспечения;

5. Разработанный программный комплекс является основой построения ИИУС контроля и управления ТП ТУО, реализованной в ЗАО «ТД Турмалин» и ООО «Фортуна», а также при выполнении НИР (ИИСТ-27), о чём получены акты о внедрении.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК России:

1. В.В. Алексеев, Н.В. Орлова, O.A. Иващенко, ИИС контроля состояния природных объектов на основе геоинформационных технологий. Формирование нормированных шкал для простых, сложных и комплексных оценок // Известия СПб ТЭТУ «ЛЭТИ». — 2010, - №8. - С. 77-85.

2. В.В. Алексеев, Н.В. Орлова, O.A. Иващенко, ИИС контроля состояния природных объектов на основе геоинформационных технологий. Формирование нормированных шкал для простых, сложных и комплексных оценок. Часть 2 // Известия СПб ГЭТУ «ЛЭТИ». — 2010, — №9. - С. 87-96.

3. В.В. Алексеев, O.A. Иващенко, Программно-алгоритмическое обеспечение распределенной информационно-измерительной и управляющей системы мониторинга состояния энергопотребления // Приборы. - 2012, - №2. - С. 25-36.

4. В.В. Алексеев, O.A. Иващенко, Измерение скорости протекания процессов в информационно-измерительных и управляющих системах с целью предупреждения аварийных ситуаций // Приборы. - 2013, - №8. -С. 23-36.

Учебные пособия

5. В.В. Алексеев, O.A. Иващенко, B.C. Коновалова, К.О. Комшилова, П.Г. Королев, Измерительно-вычислительные системы на базе ПЛК (применение в технологических процессах) // Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПб ГЭТУ "ЛЭТИ". - 2012.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ

6. O.A. Иващенко, В.В. Алексеев Диспетчер ПЛК 1.0. РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2011615871 от 3.06.2011

7. O.A. Иващенко, В.В. Алексеев Система обмена сообщениями. РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2012613485 от 22.02.2012

8. O.A. Иващенко, В.В. Алексеев Клиент нижнего уровня 1.0 (LowLevelC lient). РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2012613487 от 22.02.2012

9. O.A. Иващенко, В.В. Алексеев Модуль контроля и управления 1.0 (ControlManagementUnit). РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2012613486 от 22.02.2012

10. O.A. Иващенко, В.В. Алексеев Клиент верхнего уровня 1.0 (HighLe ve 1С lient). РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2012617814 от 11.07.2012

11.O.A. Иващенко, В.В. Алексеев Утилита импорта XML-данных 1.0 (Datalmporter). РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2012617813 от 11.07.2012

Другие статьи и материалы конференций

12.Н.И. Куракина, O.A. Иващенко, Н.В. Гавричкина, A.A. Кондрашова. Анализ экологического состояния помещений с использованием геоинформационных технологий// Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий. Труды научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 29 ноября 2006г, -СПб.: Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2006. - С. 60-64.

13.Н.И. Куракина, O.A. Иващенко, Н.В. Гавричкина, A.A. Кондрашова, ГИС в вопросах хозяйственного учета и управления ВУЗом // ArcReview. -2006, - №4(39). - С. 9.

14.Н.И. Куракина, O.A. Иващенко, В.Н. Микушина. Система хранения, обработки и представления распределённой экологической информации на базе геоинформационных технологий// «Цели развития тысячелетия» и инновационные принципы устойчивого развития арктических регионов // Материалы международного конгресса.Том 1. Научно-практическая конференция «Транспортно-коммуникационная система Арктики в геополитическом взаимодействии и управлении регионами в условиях чрезвычайных ситуаций» Санкт-Петербург, 13-14 ноября 2009 г, - СПб.: ООО «ПИФ.СОМ», 2009. - С. 109-111.

15.0.А. Иващенко. Распределённая информационно-измерительная система мониторинга технологического процесса// «Цели развития тысячелетия» и инновационные принципы устойчивого развития арктических регионов // Материалы международного конгресса.Том 1. Научно-практическая конференция «Транспортно-коммуникационная система Арктики в геополитическом взаимодействии и управлении регионами в условиях чрезвычайных ситуаций», Санкт-Петербург, 13-14 ноября 2009 г, - СПб.: ООО «ПИФ.СОМ», 2009. - С. 102-105.

16.0. А. Иващенко. Разработка распределённой информационно-измерительной системы мониторинга технологического процесса// «Цели развития тысячелетия» и инновационные принципы устойчивого развития арктических регионов // Материалы международного конгресса.Том 1. Научно-практическая конференция «Наукоёмкие и инновационные технологии в решении проблем прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий»: материалы научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 12-13 ноября 2010 г, - СПб.: ООО «ПИФ.СОМ», 2010. - С. 143-147.

17.В.В. Алексеев, O.A. Иващенко. Алгоритмическое обеспечение информационно-измерительных и управляющих систем мониторинга состояния технологического процесса// Проблемы автоматизации и управления в технических системах: Труды Международной научно-технической конференции, - Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2011.

18.В.В. Алексеев, O.A. Иващенко. Алгоритмическое обеспечение информационно-измерительных и управляющих систем мониторинга

технологического процесса// Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых 64-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава университета, С-Пб.: издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2011.-С. 180-184.

19.В.В. Алексеев, O.A. Иващенко. Прогнозирование развития ситуации на фоне случайных шумов// «Цели развития тысячелетия» и инновационные принципы устойчивого развития арктических регионов // Материалы международного конгресса.Том 1. Научно-практическая конференция «Наукоёмкие и инновационные технологии в решении проблем прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий»: материалы научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 24-25 ноября 2011 года, - СПб.: ООО «ПИФ.СОМ», 2011. - С. 63-66.

Подписано в печать 16.10.13. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 116.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В.И.УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) «ЛЭТИ»

04201450672'

На правах рукописи

Иващенко Олег Александрович

ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ТЕРМИЧЕСКОГО УНИЧТОЖЕНИЯ ОТХОДОВ

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие

системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

В.В. Алексеев

Санкт-Петербург -2013

Оглавление

Условные обозначения...................................................................................................................................4

Введение....................................................................................................................................................... 14

Актуальность проблемы........................................................................................................................... 14

Предмет исследования..............................................................................................................................15

Цель работы..............................................................................................................................................15

Методы исследования...............................................................................................................................16

Научная новизна работы...........................................................................................................................16

Практическая ценность работы................................................................................................................17

На защиту выносятся следующие научные положения...........................................................................17

Внедрение результатов работы................................................................................................................ 18

Апробация результатов работы................................................................................................................ 18

Публикации...............................................................................................................................................20

Структура и объём диссертации...............................................................................................................20

1. Обзор.....................................................................................................................................................21

1.1. Высокотемпературное уничтожение отходов..............................................................................21

1.1.1. Виды топлива, состав топлива..............................................................................................21

1.1.2. Процесс сжигания топлива....................................................................................................22

1.1.3. Энергоэкологические принципы управления сжиганием топлива......................................25

1.2. Технологический процесс термического уничтожения отходов.................................................28

1.3. Оптимизация состава средств измерения.....................................................................................34

1.3.1. Постановка задачи.................................................................................................................34

1.3.2. Критерии эффективности......................................................................................................39

1.3.3. Методы оптимизации состава средств измерения................................................................43

1.4. Требования к программно-алгоритмическому обеспечению информационно-измерительной и управляющей системы..............................................................................................................................51

Выводы по главе 1....................................................................................................................................53

2. Разработка алгоритмического обеспечения информационно-измерительной и управляющей системы.........................................................................................................................................................54

2.1. Постановка задачи.........................................................................................................................54

2.2. Задача идентификации ситуации..................................................................................................56

2.2.1. Алгоритм определение нижних и верхних аварийных порогов для каждого информативного параметра..................................................................................................................57

2.2.2. Измерение скорости изменения информативного параметра..............................................62

2.2.3. Определение состояния технологического процесса...........................................................65

2.3. Измерение скорости изменения информативного параметра......................................................65

2.3.1. Метод измерения скорости изменения информативного параметра...................................66

2.3.2. Условия обеспечения заданной точности метода измерения скорости изменения информативного параметра..................................................................................................................67

2.4. Алгоритм формирования управляющих воздействий..................................................................73

Выводы по главе 2....................................................................................................................................80

3. Разработка аппаратно-программного обеспечения информационно-измерительной и управляющей системы.........................................................................................................................................................81

3.1. Постановка задачи проектирования информационно-измерительной и управляющей системы 81

3.2. Структура информационно-измерительной и управляющей системы........................................81

3.3. Организация взаимодействия между уровнями и элементами системы.....................................84

3.3.1. Аппаратный уровень..............................................................................................................85

3.3.2. Операционный уровень.........................................................................................................86

3.3.3. Сервисный уровень................................................................................................................91

3.3.4. Клиентский уровень..............................................................................................................92

3.4. Организация хранения информации.............................................................................................95

Выводы по главе 3...................................................................................................................................101

4. Реализация методики создания ИИУС................................................................................................102

4.1. Постановка задачи........................................................................................................................102

4.2. Задача оптимизации номенклатуры средств измерения.............................................................102

4.3. Определение структуры информационно-измерительной и управляющей системы.................106

4.3.1. Формирование технического задания..................................................................................106

4.3.2. Определение состава средств измерения.............................................................................109

4.3.3. Определение архитектуры информационно-измерительной и управляющей системы.....112

4.4. Аппаратно-программная организация информационно-измерительной и управляющей системы 112

4.4.1. Уровень подсистемы локального управления.....................................................................113

4.4.2. Уровень подсистемы контроля и управления качеством протекания техпроцесса............125

4.5. Настройка программно-алгоритмического обеспечения информационно-измерительной и управляющей системы.............................................................................................................................130

4.6. Методика создания информационно-измерительной и управляющей системы........................132

Выводы по главе 4...................................................................................................................................132

Заключение..................................................................................................................................................134

Литература...................................................................................................................................................135

Приложение 1..............................................................................................................................................139

Приложение 2..............................................................................................................................................140

Условные обозначения

АО - алгоритмическое обеспечение АЦП — аналого-цифровой преобразователь БД - база данных

ВИП — вторичный измерительный преобразователь ВШ - внутренняя шина ДГ - дымовые газы ДПЛК - диспетчер ПЛК

ИИУС - информационно-измерительная и управляющая система ИВ - измеряемая величина ИК - измерительный канал И С - измерительная система

ИСКУ - измерительная система контроля и управления

ИСКУ ТП ТУО - измерительная система контроля и управления технологического процесса термического уничтожения отходов

ИП - измерительный прибор

ИУ - исполнительное устройство

КВУ — клиент верхнего уровня

КИС - компактная измерительная система

КНУ - клиент нижнего уровня

КП - контролируемый параметр

КУ - клиентский уровень

КУВВ - контроллер удалённого ввода-вывода

ЛИВС — локальная измерительно-вычислительная система

ЛИС - локальная измерительная система

ЛИИУС - локальная ИИУС

ЛК - логический канал

МВВ - модуль ввода-вывода

МКУ - модуль контроля и управления

МНК — метод наименьших квадратов

МХ - метрологическая характеристика

ОПУ - операционный уровень

ОУ - объект управления

ПАО - программно-алгоритмическое обеспечение

ПИП - первичный измерительный преобразователь

ПК - персональный компьютер

ПЛК - программируемый логический контроллер

ПНА - программа настройки алгоритмов

ПО - программное обеспечение

ПУ - программа управления

ПШ - полевая шина

РИИУС - распределённая ИИУС

РИС — распределённая измерительная система

СИ - средство измерения

СКО - среднеквадратическое отклонение

СОС — система обмена сообщениями

СУ - сервисный уровень

ТЗ - техническое задание

ТП - технологический процесс

ТП ТУО — ТП термического уничтожения отходов

СИ - средство измерения

УВ - управляющее воздействие

ФК - физический канал

ФВ - физическая величина

ШИМ - широтно-импульсный модулятор

щ — число дискретных значений вдоль ьой оси

|а2|тах — максимальный показатель кривизны, обеспечивающий нахождение погрешности нелинейности на допустимом уровне

С[ — стоимостные параметры

Су -стоимость ]-го СИ

Сц - код режима работы т¿у средства измерений Ц^тт» А?;тах ~ Диапазон изменения ьго сигнала ^¿тт> шах _ диапазон измерения ьго СИ 1Б - интерфейс

1ТУ - оператор поиска ситуации, соответствующей Т и Т'

] - число СИ в БД

- множество СИ включенных в систему

/с(Р) - коэффициент, зависящий от закона распределения и доверительной вероятности

Кс - количество требований, предъявляемых к реализации системы М - множество имеющихся СИ ту

М' - множество СИ, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к СИ параметрами сигналов

М"- множество СИ, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к реализации системы

Ms - множество СИ, являющиеся решением оптимизационной задачи Mj - вес j-ro СИ п — число отсчётов пр - число варьируемых параметров

nmin ~ число отсчётов, необходимое для обеспечения требуемой точности

Щ]к - номер ИК k-й КИС, который назначен для подключения т¿у средства измерений

Nx - общее число точек перебора (мощность множества решений) Pj - потребляемая мощность j-ro СИ

Pja - вероятность принятия решения об аварии в то время, когда она не наступила (ошибка первого рода)

На ~ заданная вероятность ошибки первого рода аварии

На ~ вероятность необнаружения аварии при её наличии (ошибка второго рода)

Psz - заданная вероятность ошибки второго рода аварии

Нас ~ вероятность принятия решения об аварийной ситуации в то время, когда она не наступила (ошибка первого рода)

Нас ~ заданная вероятность ошибки первого рода аварийной ситуации

Нас ~ вероятность необнаружения аварийной ситуации при её наличии (ошибка второго рода)

Нас ~ заданная вероятность ошибки второго рода аварийной ситуации

PSa+ — вероятность обнаружения аварии

Р5а_ - вероятность необнаружения аварии

Р$ас+ ~ вероятность обнаружения аварийной ситуации

Psac- — вероятность необнаружения аварийной ситуации

Ра - вероятность нахождения ТП в аварии

Рас — вероятность нахождения ТП в аварийной ситуации

qu, qb, qr, qp, qi - логические переменные, принимающие значение «1», если соответствующий параметр является доминирующим и значение «О» в противном случае

R - реализуемый измерительный алгоритм, представленный в виде элементарных измерительных операций

Ru — оценка информационной производительности преобразователя информации

RBXm. ~ входное сопротивление СИ

Rs. — требования по нагрузке i-ro сигнала (требуемое сопротивление нагрузки измерительного датчика)

/?ацп - функция преобразования АЦП

/?вип - функция преобразования ВИП

Rr - гипотетическая функция измерительного преобразования /?М — функция масштабирования

RH - реальная функция измерительного преобразования, которую реализует соответствующий измерительный блок (модуль) аппаратным или программным способом

Rum ~ функция преобразования ПИП

Дц - функция цифровых преобразований, выполняемых в контроллере S - множество измеряемых величин (сигналов) Sj

51 — i-й измеряемый сигнал

52 - оценка дисперсии

Si - результат измерения i-ro информативного параметра

Siac - пороговое значение измерения i-ro информативного параметра, превышение которого означает наступление аварийной ситуации

5ia - пороговое значение измерения i-ro информативного параметра, превышение которого означает наступление аварии

Ti(t) - информативный параметр, меняющийся во времени

Ti'(t) - скорость изменения информативного параметра, меняющаяся во времени

tq - q-e значение аргумента (времени)

Т: - q-e значение информативного параметра

Ti - q-й результат измерения информативного параметра

tm. - время работы СИ (измерения)

Т;щ - ситуационный кортеж

T*pt.. — фазовое пространство (двумерное множество ситуационных кортежей T£pt ), определяющее область всех возможных состояний ТП

- действительное значение i-ro информативного параметра Tia - пороги аварий для i-ro информативного параметра Tiac - пороги аварийной ситуации для i-ro информативного параметра 71ном — номинальное значение i-ro информативного параметра Ti - рабочее значение i-ro информативного параметра

[Tt ^ip+i] _ интервал значений контролируемого параметра,

[т/ , Tiv+1] — интервал значений скорости изменения контролируемого параметра,

{^i7pyfc} ~ множество оптимальных времён переключения УВ tkijpV ~ значение оптимального времени переключения У В tm.Si - время работы j-oro СИ, измеряющего i-ый сигнал

Umin и Umax ~ диапазон входного сигнала для корректной работы ШИМ

Uijit) — УВ для i-ro исполнительного устройства, влияющего Haj-й контролируемый параметр

- УВ ¡-го исполнительного устройства, влияющего на ^й контролируемый параметр, настроенное в соответствии с ТЗ

I ^//рг? | ~~ последовательность элементарных управляющих

воздействий

^¿¿ри^ = {^Ьр^^^Ьр^^ ~~ ступенчатое управляющее воздействие с длительностью и амплитудой

V - требования к реализации системы

V - критерий эффективности (показатель качества реализации системы)

I — оператор упорядочивания множества элементов М" в порядке не уменьшения значений критерия эффективности

14^(5) — условный оптимальный выигрыш проектирования системы начиная с ьго шага и до конца

а - коэффициент избытка воздуха

ак - техническая или метрологическая характеристика ИП ад - коэффициент важности 0-ого качества (Ха ав = 1) Р - быстродействие СИ

Ра- - требование, предъявляемое к измерению сигнала

Р^- — коэффициент выбора ]-ого СИ к реализации из множества средств измерений М, позволяющих измерить 1-ый сигнал фц = 1, если СИ выбрано, Ргу = 0, в противном случае)

ДДдцп - погрешность функции преобразования АЦП

Д/?вип — погрешность функции преобразования ВИП

Д/?м — погрешность функции масштабирования

Д#пип ~ погрешность функции преобразования ПИП

ДДц - погрешность функции цифровых преобразований, выполняемых в контроллере

At - период дискретизации Ats. - период дискретизации i-ro сигнала A Si - погрешность измерения i-ro сигнала Днелин -погрешность нелинейности

ДСЛд - допустимое значение случайной составляющей погрешности

- средняя интенсивность отказов системы без измерительной части Am - весовые коэффициенты важности

\т - средняя интенсивность отказов измерительной части системы рТ. - плотность распределения вероятности информативного параметра

PiSi и Р2Si ~ плотность распределения вероятности результатов контрольных измерений St

а2 - погрешность опытных значений Ti (дисперсия шума)

amax - максимальное требуемое значение дисперсии

Оа - оценка дисперсии погрешности косвенного измерения производной

осл - среднеквадратическое отклонение шума (случайная составляющая однократного измерения)

о* - оценка СКО, вносимая случайным процессом при многократном измерении

<js — среднеквадратическое отклонение результатов измерений, определённое по п отсчётам

a"s. - среднеквадратическое отклонение результатов единичного измерения i-ro сигнала

Э - номер параметра в списке характеристик сигналов

0Х - множество индексов параметров, требующих выполнения условия "не меньше" (например, входное сопротивление СИ должно быть не меньше, чем требования по нагрузке датчика, формирующего измеряемый сигнал)

02 - множество индексов параметров, требующих выполнения условия "не больше" (например, время работы СИ должно быть не больше, чем требуемый интервал дискретизации измеряемого сигнала)

03 - множество индексов параметров, требующих выполнения интервального условия (например, диапазон измеряемого сигнала должен быть не больше диапазона измерения выбранного СИ, и в то же время, не меньше % диапазона измерения СИ, в противном случае точность измерений не будет гарантирована)

04 - множество индексов параметров, выбранных как показатели качества реализации системы (0Х П 02 П 03 П 04 = 0)

0т — число параметров характеризующих СИ

65 - число параметров характеризующих сигнал

0 - состояние проектируемой системы перед каждым этапом синтеза

&' - новое состояние проектируемой системы после каждого этапа синтеза

ти - интервал усреднения, период измерения

тИтах — максимальный интервал усреднения, обеспечивающий нахожде�