Оперативное управление процессом получения пероксида водорода Александрова Наталия Александровна
Диссертация - 15у.е., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников
Автореферат - 6 у.е., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья
Александрова Наталия Александровна. Оперативное управление процессом получения пероксида водорода : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.06.- Санкт-Петербург, 2003.- 204 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/3270-7
Содержание к диссертации
Введение 5
1. Описание технологического процесса 13
1.1 .Производство пероксида водорода изопропиловым методом 13
1.2.Описание стадии окисления изопропанола 16
1.3.Проблемы при ведении процесса окисления изопропилового спирта...22 1 ААнализ современной ситуации при управлении процессом получения
пероксида водорода 26
1.5.Аварии и нештатные ситуации, возникавшие при производстве
пероксида водорода на Чебоксарском заводе «Химпром» 30
1.6.Постановка задачи оперативного управления процессов получения
пероксида водорода в условиях нештатной ситуации 34
1.7.Экспертные и диагностические системы в оперативном управлении
химическими процессами 38
1.8.Выводы. Постановка задачи 48
2. Сбор и верификация экспертной информации 50
Методы сбора экспертной информации 50
Поиск исключение ошибок в ответах экспертов 53
Сбор знаний о стадии окисления РШС в процессе получения пероксида водорода 54
Подготовительный этап и выбор формы представления экспертных знаний 54
Подготовка опросных листов и анкетирование 61
2.4. Обработка экспертных знаний о процессе получения пероксида
водорода 74
Обработка опросных листов. Составление обобщенного мнения 74
Предварительная формализация экспертной информации 81
2.5. Метод сигнальных направленных графов 82
2.5.1. Структура, построение и методика обработки направленных
сигнальных графов 82
4
2.5.2. Методика составления диагностических правил на основе
направленных сигнальных графов 90
2.6. Выводы к главе 2 93
3. Структура системы оперативного управления процессом ППВ 96
3.1.Общая концепция оперативного управления и диагностики процессом
ППВ 96
3.2.Общая структура системы оперативного управления процессом ППВ в
нештатных ситуациях 100
3.3 .Разработка диагностической модели 104
Выбор структуры диагностической модели 104
Декомпозиция объекта диагностирования 108
3 АРазработка структуры корневых и дочерних фреймов 110
3.5.Формирование фреймов 121
Формирование фреймов для технологических нарушений 121
Формирование фреймов нештатных ситуаций, описывающих нарушения в работе каналов измерения и управления 130
Формализация информации о нарушениях в измерительных каналах 134
3.6.Алгоритм функционирования подсистемы диагностики 135
3.7. Выводы к главе 4 141
4. Реализация системы оперативного управления и диагностики 143
4.1.Техническое обеспечение СОУ процессом ППВ 143
4.2.Информационное обеспечение СОУ процессом ППВ 144
4.3 .Техническая реализация системы оперативного управления 145
4.4.Проверка работы системы в режиме имитации 156
Экспериментальная проверка СОУ на имитационных моделях 157
Выводы к главе 4 160
Выводы 161
Приложения 164
Введение к работе
Пероксид водорода является одним из важнейших продуктов химической промышленности. Масштабы его применения необычайно широки - от медицины и бытовой химии до металлургии, сельского хозяйства и охраны окружающей среды. Благодаря высокому содержанию активного кислорода и ряду уникальных свойств этот продукт используют как окисляющий, гидроксилирующии и эпоксидирующии агент в химических производствах, как эффективное отбеливающее средство для хлопка, текстиля, шерсти, бумаги, мехов, мыл, различных искусственных и синтетических волоки; некоторые производные пероксида водорода входят в качестве компонентов в состав синтетических моющих средств, производство которых в последние годы достигает все более крупных масштабов. Пероксид водорода также широко применяется в косметической, фармацевтической, пищевой, строительной отраслях промышленности, используется в космической технике, в подводных и подземных работах и т. д.
Особое достоинство пероксида водорода при его применении состоит в том, что в противоположность многим другим подобным реагентам от его участия в реакциях никаких отходов кроме воды не образуется. Только применение пероксида водорода с его уникальными свойствами сделало возможным внедрение в промышленность ряда новых прогрессивных процессов, характеризующихся высокой интенсивностью, безотходностью, совершенством технологических схем, это, например, процессы получения глицерина через аллиловый спирт, оксидов олефинов, гликолей и различных эпоксидов каталитическим путем.
Такие широкие перспективы, связанные с применением пероксида водорода, вызывают непрерывное возрастание спроса на этот продукт, что, в свою очередь, стимулировало бурное развитие его производства в большинстве развитых стран.
Технический прогресс в области производства пероксида водорода за последние двадцать лет выразился в совершенствовании существующих и внедрении новых процессов его получения. В настоящее время в промышленности используют три метода получения пероксида водорода: традиционный электрохимический и органические методы - так называемый антрахинонный метод и метод, использующий реакцию жидкофазного окисления изопропилового спирта (изопропиловый метод).
Работы в области изопропилового процесса привели к созданию более совершенных технологических схем повышенной мощности, оригинального и более эффективного аппаратурного оформления. Этот способ отличается высокой экономичностью.
Характерные опасности производства пероксида водорода обусловлены возможностью образования смесей взрывоопасных концентраций из горючих веществ (ацетона, ИПС и др.) с воздухом, и, в связи с этим, данный процесс относится к потенциально-опасным процессам, для которых предусмотрены специальные системы защиты и блокировки. Однако срабатывание этих систем происходит только при достижении контролируемыми параметрами критических значений, то есть, когда развитие аварийной ситуации уже стало необратимым и привело к необходимости частичного или полного останова процесса.
Нарушения и нештатные ситуации, возникающие при ведении стадии окисления изопропилового спирта (ИПС) воздушно-кислородной смесью (ВКС) наиболее опасны и чаще всего являются причинами приводящими к большим материальным потерям, а также к авариям и повреждению оборудования.
Необходимо отметить, что химические и физико-химические процессы (такие как образование пероксида водорода, его разложение, массообмен и т.д.), протекающие на стадии окисления очень сложны, так как окисление изопропилового спирта молекулярным кислородом в жидкой фазе в зависимости от условий ведения процесса, количества имеющихся примесей и
7 даже состояния стенки реактора может приводить к образованию разнообразных кислородосодержащих продуктов. На основании этого можно сказать, что процесс окисления ИПС отличается многоальтернативностью характера протекания и большими неконтролируемыми возмущениями.
Сложность описания этих физико-химических процессов, разброс параметров исходного сырья и другие неконтролируемые возмущения привели к тому, что в настоящее время не существует достаточно полного математического описания для вышеуказанного процесса. Попытки создать полную универсальную теоретическую математическую модель пока не увенчались успехом.
Статистические модели, входящие в математическое обеспечение существующих на данный момент АСУ ТП позволяют проводить анализ и оптимизацию процесса исключительно в нормальных регламентных режимах. Они оказались неадекватны в условиях нештатной ситуации.
В результате успешное ведение процесса с минимальным количеством срабатываний системы защиты обеспечивается опытностью оператора.
В то же время для ведения процессов такого класса широко используются системы, основанные на знаниях специалистов-профессионалов, то есть экспертные системы (ЭС). Экспертные системы являются наиболее распространённым видом интеллектуальных систем, ориентированных на использование опыта высококвалифицированных специалистов в специфических областях, где важен эмпирический опыт [1,2,3,4,5,6,7].
Поэтому создание диагностических экспертных систем, позволяющих повысить безаварийность протекания процесса ПИВ и улучшить его ТЭП, является сегодня актуальной научной задачей и рассматривается, как один из путей повышения надежности, экологической и производственной безопасности, достижения более экономичной работы предприятий по производству пероксида водорода изопропиловым методом. Создание системы оперативного управления и диагностики, в задачу которой входило бы более раннее обнаружение возможных нарушений, нештатных ситуаций и
8 определение причин их возникновения, позволяющее заблаговременно принять необходимые меры по возвращению процесса в регламентные рамки привело бы к сокращению экономических потерь, связанных со срабатыванием системы защиты.
В связи с тем, что система диагностики должна использовать знания
человека-эксперта, а также вследствие малого числа
высококвалифицированных экспертов возникает необходимость верификации экспертной информации и подтверждения ее путем выявления причинно-следственных связей в объекте диагностирования.
В связи с этим, целью работы является разработка системы оперативного управления и диагностики процесса ППВ, работающей как экспертная система, и использующей все имеющиеся знания о процессе (как опытные, так и теоретические).
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
формирование группы экспертов и сбор информации;
подтверждение экспертной информации путем качественного анализа процесса при помощи метода направленных сигнальных графов (НСГ);
декомпозиция объекта и синтез диагностической модели;
разработка структуры системы оперативного управления и диагностики (СОУД) процесса ППВ;
разработка алгоритма оперативного управления в нештатных ситуациях;
разработка программного обеспечения для СОУД;
проверка работоспособности системы.
В диссертации изложены основные результаты проведенной научно-исследовательской работы по разработке и практической реализации системы оперативного управления и диагностики процесса ППВ.
Работа состоит из введения, четырех глав и приложений.
В первой главе приведено краткое описание процесса получения пероксида водорода изопропиловым методом, рассмотрена технология и существующая система управления и защиты для наиболее опасной и сложной
9 стадии процесса - стадии окисления ИПС, проведён анализ процесса как объекта диагностики, выявлены особенности его ведения и контроля. Дан аналитический обзор и анализ зарубежных и отечественных экспертных диагностических систем, используемых для оперативного управления потенциально-опасными процессами в различных отраслях промышленности. Сформулирована общая задача исследования и определен ряд подзадач, которые необходимо решить.
Во второй главе рассмотрены различные способы приобретения экспертных знаний и методы верификации полученной информации. Описана процедура сбора информации с помощью разработанных опросных карт, в результате которой было выявлено множество, включающее возможные нарушения и свойственные данным нарушениям симптомы. Также были оценены экспертами весовые коэффициенты каждого симптома при конкретном нарушении, отражающие обязательность проявления симптома в рассматриваемой ситуации, определены эксплуатационные пороговые значения технологических параметров, превышение которых соответствует, по мнению экспертов, выходу процесса во внерегламентную область, степень опасности каждой нештатной ситуации (для расчета приоритета ситуации в случае возникновения конфликтов при работе ситемы) и частоты возникновения ситуации (для обоснования целесообразности использования системы оперативного управления и диагностики). На основании экспертной информации были определены необходимые корректирующие воздействия для устранения каждой нештатной ситуации и оценено время, необходимое для возвращения процесса в нормальный режим после нанесения дискретных корректирующих воздействий.
Ввиду малого количества экспертов и невысокой квалификации части из них для повышения достоверности информации был применен метод НСГ. Данный метод позволяет провести качественный анализ процесса с целью подтверждения причинно-следственных связей, указанных экспертами. В результате при помощи НСГ были подтверждены взаимосвязи между
10 нарушениями и их проявлениями, определенные на основании экспертной информации, выявлены неточности в показаниях экспертов, противоречие в организации самой системы управления процессом ППВ.
Приведён сравнительный анализ различных моделей представления знаний (МПЗ) и обосновано использование выбранной структуры модели, в качестве которой используется комбинированная фреймово-продукционная модель, как наиболее отвечающая характеру решаемой задачи и позволяющая объединить достоинства и избежать недостатков фреймовых и продукционных систем в чистом виде. В качестве правил продукции в ДМ использовались продукционные правила, которые были получены в результате анализа и верификации экспертной информации. В эти правила введены весовые коэффициенты и степени проявления для симптомов, которые участвуют в расчете уверенности вывода.
В третьей главе рассмотрена общая структура системы оперативного управления процессом ППВ в нештатных ситуациях, представляющая собой программно-технический комплекс, предполагающий интеграцию в АСУ ТП. Ядром системы являются база знаний, содержащая ДМ, и интерпретатор, реализующий последовательность диагностических процедур.
Сформирована ДМ процесса ППВ, основу которой составляет фреймовая сеть из корневых фреймов одинаковой структуры, содержащих информацию об основных, выделенных при декомпозиции стадиях процесса. В качестве примера формирования и заполнения корневого фрейма модели рассмотрен фрейм "Окисление". Каждому корневому фрейму соответствует совокупность дочерних фреймов нижнего уровня иерархии сети, содержащих описание нештатных ситуаций, которые могут произойти на этой стадии, а также необходимые меры по их устранению. Состав слотов дочернего фрейма и их заполнение показано на примере фрейма «Разложение пероксида водорода в реакторе окисления».
Разработан алгоритм работы системы, который основан на сформированной диагностической модели процесса ППВ.
В четвёртой главе освещены вопросы технической и программной реализации разработанной системы оперативного управления и диагностики.
Техническая реализация системы диагностики базируется на аппаратуре нижнего уровня АСУ ТП и компьютере верхнего уровня. Программное обеспечение (ПО) системы имеет модульную структуру. Описано техническое, программное и информационное обеспечение системы и техническая структура системы, а также структура ПО.
Приведены результаты исследования работы системы в режиме имитации. Тестирование системы прошло успешно. Были проверены все возможные нарушения, содержащиеся в БЗ системы.
В приложениях содержатся заполненные экспертами опросные листы, результаты формализации лингвистических переменных, использовавшихся экспертами при оценивании. Приведены упрощенные и обработанные НСГ для каждой указанной экспертами нештатной ситуации, а ДМ системы оперативного управления и диагностики процессом ППВ (стадии окисления ИПС) представлена в виде набора разработанных фреймов. Приложения содержат также примеры экранов, иллюстрирующих работу системы и копии документов, подтверждающих полезность выполненной работы.
В процессе выполнения работы были получены следующие новые научные результаты:
Проведена декомпозиция объекта и знаний о нем, в результате чего была синтезирована двухуровневая диагностическая модель процесса ППВ, включающая в себя экспертные и теоретические знания о нем.
Для повышения достоверности экспертной информации, путем подтверждения причинно-следственных связей между нарушениями и их проявлениями, предложена методика ее верификации на основе использования направленных сигнальных графов.
Модифицирован алгоритм оперативного управления процессом ППВ в нештатных ситуациях, использующий непрерывную диагностику состояния технологического процесса, а также состояния каналов измерения и
12 управления. Алгоритм позволяет осуществлять блокировку повторного обнаружения нештатной ситуации, в случае, если для ее устранения нанесены на объект корректирующие воздействия.
4. Предложена методика учета неопределенностей при построении диагноза, а именно методика расчета степени уверенности вывода, в которой учитывается: степень проявления симптома, отражающая неоднозначность границы нарушения; минимальное значение степени проявления симптома для гарантии резонности результата (вывода) и предотвращения ложных срабатываний правил; весовые коэффициенты для отражения важности наличия симптома при обнаружении нарушения; среднее значение степени проявления всех симптомов в рассматриваемом правиле, чтобы отразить в численном значении степени уверенности вывода то, насколько наблюдаемая ситуация на процессе отличается от описанной правилом; степень проявления симптома с максимальным весом, т.е. наиболее важного симптома в процедуре обнаружения нарушения, и относительно этого значения степени проявления остальных симптомов в правиле.
Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в уменьшении числа срабатываний системы защиты за счет раннего обнаружения нештатных ситуаций и предотвращения их развития, а, следовательно, повышении уровня безопасности и экологичности процесса
ппв.
Результаты работы были переданы в РНЦ «Прикладная химия», на производство «Пеноплэкс», а также в ООО «Перам».
