Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

РОГОВ Сергей Львович

ПОДСИСТЕМЫ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ В СОСТАВЕ ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение) А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования Пензенский государственный университет.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор ДАНИЛОВ Александр Александрович

Официальные оппоненты: МЯСНИКОВА Нина Владимировна, доктор технических наук, профессор, Пензенский государственный университет, профессор кафедры Автоматика и телемеханика;

РАДКЕВИЧ Валерий Васильевич, доктор технических наук, ООО ИнЭко-А (г. Москва), генеральный директор

Ведущая организация: ОАО Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт (г. Москва)

Защита диссертации состоится 15 мая 2012 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д.212.186.02 в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования Пензенский государственный университет по адресу: 440026, г. Пенза, ул.

Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования Пензенский государственный университет.

Автореферат разослан апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди многочисленных функций информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) одной из важнейших является обеспечение безопасного функционирования потенциально опасных производственных объектов (ОПО), которая обычно реализуется с помощью подсистем противоаварийной защиты (ПАЗ). Безопасность ОПО обеспечивается выполнением требований по защите от превышения давления, температуры, достижения предела опасной концентрации и т.д. Каждое из этих требований обеспечивается соответствующей функцией безопасности. Входными параметрами функции безопасности являются значения физических параметров (давления, температуры, уровня и др.), результатом выполнения - воздействие посредством исполнительного механизма (ИМ) и перевод ОПО в безопасное состояние. Одними из требований к современным подсистемам ПАЗ являются их интеграция в ИИУС и реализация с применением универсальных измерительных модулей, позволяющих использовать их как для реализации измерительных и управляющих функций, так и для реализации функций безопасности. Вместе с тем существующие требования к проведению периодического контроля ИИУС, и ПАЗ в частности, требуют периодической остановки этих систем, а значит, и объекта управления в целом. Разумеется, это неприемлемо и обуславливает актуальность разработки новой структуры ИИУС, в которой остановка любого из каналов подсистемы ПАЗ не приводила бы к остановке всей ИУС. Создание новой структуры подсистем ПАЗ в составе ИИУС позволило бы существенно увеличить такую важную эксплуатационную характеристику систем ПАЗ и ИИУС, как время непрерывной работы, а также позволило бы итерационно добавлять новые функции без остановки ОПО. Учитывая, что подсистемы ПАЗ обеспечивают выполнение множества функций безопасности, независимость их друг от друга в новой структуре позволит не только улучшить характеристики безотказности подсистем ПАЗ в составе ИИУС, но и осуществлять замену одних (неисправных, отработавших) элементов другими (новыми) без остановки всей ИИУС.

Значительный вклад в создание ИИУС и их метрологическое обеспечение внесли многочисленные коллективы ученых, в том числе А. А. Брагин, В. А. Грановский, А. И. Заико, Г. И. Кавалеров, В. П. Кузнецов, Б. Ф. Кузнецов, С. М. Мандельштам, Н. П. Миф, А. Л. Семенюк, Е. Н. Сычев, М. П. Цапенко, В. М. Шляндин, Ю. Н. Яковлев и другие.

Наиболее значимые результаты в теории и практике данного научного направления в последнее время получены коллективами ОРГРЭС (г. Москва), Института проблем управления (г. Москва), Всероссийского научно-исследовательского института по эксплуатации атомных станций (г. Москва), Всероссийского теплоэнергетического института, немецкого института стандартов (DIN), международной электротехнической комиссии (IEC), иностранных компаний Siemens, ABB, Hima, Triconnex и др.

Вместе с тем, кроме названных выше, нерешенными остались вопросы оперативного подтверждения соответствия характеристик подсистем ПАЗ требуемым характеристикам, а также вопросы прогнозирования отказов и расчета дополнительного ресурса подсистем противоаварийных защит ОПО в составе ИИУС при замене элементов. В реально работающих ИУС замена деградировавших или отказавших элементов на новые происходит постоянно, но не существует алгоритма определения дополнительного ресурса, который появляется в результате замены.

Цель диссертационного исследования состоит в совершенствовании эксплуатационных характеристик подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС.

Основные задачи диссертационного исследования:

1. Анализ структур подсистем ПАЗ в составе ИИУС и классификация их по признакам защит.

2. Совершенствование структуры подсистем ПАЗ, позволяющей осуществлять оперативную замену элементов подсистемы защит без остановки ОПО.

3. Разработка способов оперативного подтверждения соответствия параметров безотказности подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС интегральному уровню безопасности оборудования ОПО.

4. Разработка алгоритма расчета продления ресурса противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС при замене элементов.

Методы исследований. Для решения поставленных задач применялись методы математического анализа, теории вероятности и математической статистики, теории надежности и теории погрешностей. Основные теоретические положения проверены экспериментально и путем моделирования на ЭВМ с использованием пакетов программ MatLab 6.5, Unimod, Isagraf, iFix 3.5.

Достоверность научных положений подтверждена результатами экспериментальных исследований, а также практикой разработки, внедрения и эксплуатации подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС в энергетике, химии, нефтепереработке.

Оценка достоверности результатов исследования в ходе экспериментальных работ выявила: результаты эксперимента получены с применением средств измерений утвержденного типа, поверенных с использованием аттестованного испытательного оборудования. Многократное повторение эксперимента показало его воспроизводимость, эксперимент проводился в условиях максимально допустимой температуры эксплуатации.

Опыт практической эксплуатации систем, построенных с применением результатов работы, показал их безотказность в условиях более чем трехлетней работы в неотапливаемых помещениях в различных климатических зонах.

Идея базируется на анализе результатов многолетней практики автора исследований по построению подсистем противоаварийной защиты опасных производственных объектов в составе информационноизмерительных и управляющих систем и единственного на текущий момент в России положительного опыта сертификации отечественного оборудования для интегрального уровня безопасности SIL3 в немецком испытательном центре TV.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложена новая классификация подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС, отличающаяся введением новых классификационных признаков - универсальностью модулей ввода-вывода и местом локализации вычислителя функции безопасности.

2. Предложена новая структура подсистем ПАЗ в составе ИИУС, позволяющая осуществлять оперативную замену элементов подсистемы ПАЗ, поэтапно наращивать сложность системы, добавлять новые функции безопасности, проводить подтверждение соответствия и модернизацию без остановки ИИУС и технологического процесса.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена основанная на Марковской модели прогнозирования отказов математическая модель непрерывных и случайных отказов подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС.

4. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден алгоритм расчета дополнительного ресурса подсистем противоаварийной защиты ОПО ИИУС, который создается путем замены элементов.

Теоретическая значимость исследования обусловлена тем, что разработана новая математическая модель прогнозирования параметров безотказности подсистемы противоаварийной защиты, позволяющая, в отличие от существующих моделей, учитывать как случайные, так и непрерывные отказы элементов защиты, их деградацию, проводить расчет параметров безотказности как на стадиях проектирования систем, так и в период их эксплуатации.

Теоретические расчеты в исследовательской работе построены на известных и проверяемых данных, в том числе для предельных случаев, результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными и не противоречат результатам научных работ и публикаций других авторов по теме диссертации и в смежных отраслях науки.

Изложены и проанализированы существующие методы прогнозирования безотказности подсистем противоаварийной защиты, изучены мировые тенденции, опыт ведущих мировых производителей оборудования ПАЗ и международные стандарты, а также факторы, влияющие на развитие данного направления в науке.

Раскрыты существующие противоречия между практикой построения систем противоаварийной защиты и действующими российскими и международными нормативными документами, регламентирующими этапы жизненного цикла подсистем противоаварийной защиты опасных производственных объектов в составе информационно-измерительных систем.

Изучены взаимосвязи процесса верификации функций безопасности подсистем ПАЗ ОПО и процессов модернизации и развития этих подсистем. Выявлены внутренние противоречия между техническими регламентами объектов повышенной опасности и отсутствием способов определения дополнительного ресурса подсистем при замене элементов.

Проведена модернизация существующих численных методов расчета параметров безотказности подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС.

Объектом исследования в настоящей работе являются подсистемы ПАЗ ОПО в составе ИИУС.

Практическая ценность работы. Результаты научных исследований послужили основой для совершенствования эксплуатационных характеристик ИИУС ОПО: времени непрерывной работы, времени продленного ресурса ПАЗ ОПО. Практически внедрены: новая структура подсистемы ПАЗ в составе ИУС, алгоритм расчета дополнительного ресурса подсистем ПАЗ, сформулированы рекомендации по увеличению времени непрерывной работы ИУС ОПО.

Значение результатов исследования для практики подтверждается не только улучшением эксплуатационных характеристик существующих подсистем ПАЗ в составе ИИУС, но и получением фактической экономии средств на всех этапах жизненного цикла систем, что подтверждается справками о практическом внедрении результатов научноисследовательской работы.

Определены границы практического применения результатов исследования. Проведен анализ условий применения разработанной математической модели безотказности и приведены предложения по изменению нормативных документов, регламентирующих работу подсистем противоаварийных защит.

Создана система практических рекомендаций для проектантов и эксплуатирующих организаций по применению функциональной архитектуры, математической модели и алгоритма расчета дополнительного ресурса.

Представлены предложения по изменению нормативных документов, регламентирующих работу подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС.

Установлено на практических примерах, что применение функциональной структуры подсистем ПАЗ позволяет получить параметры безотказности систем, более чем на порядок превышающие параметры существующих структур подсистем противоаварийной защиты.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Классификация подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, отличающаяся введением новых классификационных признаков.

2. Структура подсистем ПАЗ в составе ИИУС с аппаратным и программным разделением функций безопасности, позволяющая на работающей подсистеме ПАЗ добавлять, модернизировать и верифицировать функции безопасности подсистемы ПАЗ.

3. Математическая модель прогнозирования отказов элементов подсистем противоаварийной защиты ОПО, позволяющая учитывать как непрерывные, так и случайные отказы элементов.

4. Алгоритм расчета дополнительного ресурса подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС при замене элементов, позволяющий продолжать эксплуатацию ОПО без проведения верификации подсистемы ПАЗ до остановки ОПО на регламентные работы.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическое воплощение в ряде ИИУС, внедренных в различных проектах предприятий Холдинга фирм TREI в России, Казахстане, Белоруссии, Сербии, Боснии и Герцеговине.

Разработана типовая конфигурация ИИУС с применением интеллектуальных модулей M932C для реализации проектов в различных отраслях промышленности. В их числе:

1. ИИУС турбоагрегата К-55-90 с генератором ТЗФП-63-2МУ3 ГРЭС корпорации Казахмыс Республики Казахстан.

2. ИИУС котлоагрегатов № 1-6 БКЗ 420-130 Усть-Илимской ТЭЦ.

3. ИИУС нефтепромыслов Казмунайгаз г. Атырау Республики Казахстан.

Результаты диссертационной работы были использованы при проектировании ИИУС, а также при разработке методик контроля характеристик ИИУС Холдинга фирм TREI.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих всероссийских научно-технических конференциях: Метрологическое обеспечение измерительных систем (Пенза, 2004); Промышленные контроллеры от А до Я (Москва, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); Автоматизация ТЭЦ и ГРЭС (Усть-Илимск, 2007); Проблемы и практика автоматизации газотранспортных систем (Москва, 2009); Проблемы и перспективы построения распределенных систем в энергетике (Москва, 2010), а также на Юбилейной научнопрактической конференции фирмы TREI GmbH (Москва, 2010).

ичный вклад соискателя состоит в самостоятельном творческом анализе ситуации, сложившейся на данном научном направлении, в постановке задач с использованием большого практического опыта автора, решении этих задач с применением передовых достижений науки и техники.

Автор непосредственно участвовал в получении исходных данных, формировал программу и методику эксперимента, совмещая цели и задачи эксперимента с задачами производственной деятельности. Выполнял лично и руководил работами по внедрению результатов исследования, обучению и подготовке персонала, эксплуатирующего ИИУС ОПО, созданные с применением результатов работы автора. Автором изучены и грамотно применены математические методы обработки результатов эксперимента и построения математической модели.

Публикации. По материалам диссертационной работы автор имеет 11 опубликованных работ, из них 6 в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК и одна статья в зарубежном научном издании.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, приложения; изложена на 173 страницах, содержит 40 рисунков и 11 таблиц; список использованных источников включает 121 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы, показана научная новизна полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современных теории и практики построения подсистем противоаварийной защиты ОПО в составе ИИУС.

Рассмотрена реализация подсистем защит ОПО с применением универсальных измерительных модулей, позволяющих использовать их как для реализации измерительных и управляющих функций, так и для реализации функций ПАЗ.

Рассмотрены существующие методики расчета параметров безотказности. Проанализированы требования нормативных документов. Приведены примеры основных структур подсистем защит ОПО: централизованной резервированной, централизованной троированной, децентрализованной резервированной. Проведены анализ и систематизация их основных свойств и отличительных особенностей.

Структуры подсистем ПАЗ ОПО, используемые в настоящее время, характеризуются взаимозависимостью функций безопасности, что не позволяет верифицировать и модифицировать их независимо друг от друга. При этом действующие способы оценки параметров безотказности не дают возможности аналитического определения дополнительного эксплуатационного ресурса подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС при замене элементов.

На основании проведенного анализа сформулированы классификационные признаки подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС. Известны ранее по литературным источникам следующие признаки:

Ц по возможности резервирования функций ПАЗ: нерезервированные/резервированные;

Ц по централизации функций ПАЗ: централизованные/децентрализованные.

Для более детального анализа свойств ИУС предложены следующие классификационные признаки подсистем ПАЗ ОПО:

Ц по месту локализации вычисления функций ПАЗ: в центральном процессоре (ЦПУ) контроллера ПАЗ / в интеллектуальном модуле вводавывода;

Ц по применению многоканальных модулей ввода-вывода: специализированных/универсальных.

С учетом дополнительных признаков предложена новая классификация подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, изображенная на рис. 1.

Рис. 1. Классификация подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС На рис. 1 совпадение синих и красных стрелок определяет выбор набора признаков, реализация которых в структуре подсистем ПАЗ позволит решить задачи совершенствования эксплуатационных характеристик ИИУС и определит признаки новой структуры подсистем ПАЗ.

Во второй главе на основании классификации признаков подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС впервые предложена функциональная структура подсистем ПАЗ, изображенная на рис. 2. В функциональной структуре реализованы следующие квалификационные признаки: 1) применен универсальный модуль ввода/вывода - 1 ; 2) микропроцессорный вычислитель условий выполнения функций безопасности локализован в универсальном модуле ввода/вывода; 3) для связи с универсальными модулями ввода/вывода применен резервированный последовательный интерфейс - 2, позволяющий создавать децентрализованные подсистемы ПАЗ ОПО в составе ИИУС; 4) функции безопасности реализованы независимо друг от друга и индивидуально резервированы. Каждая функция безопасности выполняется как в основном, так и в резервном универсальном модуле ввода/вывода.

Рис. 2. Функциональная резервированная структура подсистемы ПАЗ ОПО в составе ИИУС Предложенная структура подсистемы ПАЗ обладает следующими преимуществами :

1) функциональной законченностью, программной и аппаратной независимостью друг от друга функций безопасности противоаварийной защиты;

2) возможностью тестирования функций безопасности методом черного ящика;

3) возможностью модификации функции безопасности;

4) отсутствием аппаратной избыточности при создании малых подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, реализующих небольшое количество функций безопасности;

5) реализацией в одной подсистеме ПАЗ ОПО функции разных интегральных уровней безопасности;

6) возможностью корректировки среднего времени наработки на отказ подсистем ПАЗ ОПО по диагностическим данным в процессе эксплуатации;

7) возможностью плановой замены элементов в подсистемах ПАЗ ОПО с заранее прогнозируемым изменением ресурса.

Сделан вывод о невозможности использования существующего математического аппарата для численного определения дополнительного ресурса и корректировки среднего времени наработки на отказ в процессе эксплуатации. Проведены классификация и анализ существующих методов прогнозирования и научное обоснование выбора Марковской модели прогнозирования отказов как наиболее соответствующей функционально сложным структурам подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, а также позволяющей учитывать непрерывную и случайную деградацию параметров элементов ПАЗ.

В третьей главе для реализации возможностей функциональной структуры рассмотрена n-мерная Марковская модель. Предлагаемая система имеет m элементов, технические характеристики которых удовлетворяют определенным параметрам. В процессе эксплуатации эти технические параметры изменяются в сторону деградации и по истечении некоторого времени не будут соответствовать заданным требованиям. Распределим m элементов системы по n группам. Предположим, что в 1-й группе находится m1 элементов, во 2-й группе - m2 элементов, Е, в n -й группе - mn элементов. Условимся, что с повышением номера группы технические параметры элементов деградируют в большей степени. Количество элементов в группах деградации является случайной величиной (t) и изменяется во времени. Qi1,i - вероятность деградации элемента из (i - 1)-й группы в i-ю. Qi - вероятность случайных отказов в i-й группе.

Для реализации аналитического расчета времени продления ресурса подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС при оперативной замене элементов, в расчетную схему прогнозирования отказов вводим вероятность замены элемента из последней, n-й группы деградации в первую - Qn1 (рис. 3).

Состояние подсистемы ПАЗ описываем случайным n-мерным вектором с параметрами (1(t) m1,2(t) m2,...,n(t) mn).

Неизвестной величиной, которую необходимо определить, является вероятность количества элементов в каждой группе деградации:

Pm1,m2,...,mn (t) P(t;1(t) m1,2(t) m2,...,n(t) mn).

Структура вероятностных переходов приведена на рис. 4, где: i, i+1 - интенсивность перехода из i-й группы деградации в следующую, - интенсивность случайных отказов в i-й группе.

i 2-я группа n-я группа i-я группа 1-я группа элементов элементов элементов системы элементов системы системы системы Qn1 - вероятность замены Qn1,n Q12 Q23 Qi1,i Qi,i1(t)m1 2(t)m2 i(t)mi n(t)mn Q1 Q2 Qi Qn / / / / 2(t) m2 1(t) m1 i(t)mi 1 n(t) mn Рис. 3. Расчетная схема прогнозирования отказов подсистем ПАЗ с заменой элементов 1(t) m1, 1(t) m1, 1 (t) m1 1, 2 (t) m2, 2 (t) m2, (t) m2 1, 2 , , , i (t) mi 1, i (t) mi, (t) mi, i i (t) mi1, i (t) mi1 1, (t) mi1, i , , , n1(t) mn1 1, n1(t) mn1, (t) mn1, nn (t) mn n (t) mn (t) mn n 1 m112t mii,i1t mn1n1,nt 1(t) m1, 2 (t) m2,..., i (t) mi, i1(t) mi1,..., n1(t) mn1, n (t) mn m11t mnn,1t miit mnnt 1(t) m1 1, 1(t) m1, 1(t) m1, 2 (t) m2, 2 (t) m2, 2 (t) m2, , , , i (t) mi, i (t) mi, i (t) mi 1, i (t) mi1, i (t) mi1, i (t) mi1, , , , n1(t) mn1 1, n1(t) mn1, n1(t) mn1, n (t) mn n (t) mn n (t) mn 1(t) m1 1,2 (t) m2,i (t) mi,i1(t) mi1,,n1(t) mn1,n (t) mn Рис. 4. Структура вероятностных переходов с заменой элементов Обозначения в сносках рис. 4: 1 - n-мерный вектор текущего состояния системы, i(t) = mi - количество элементов в i-й группе; 2 - вектор состояния перехода одного элемента из i-й группы в следующую; 3 - вектор состояния перехода элемента из предпоследней группы в последнюю; 4 - вектор состояния случайного отказа одного элемента в i-й группе; 5 - вектор состояния перехода (замены на новый) элемента из последней группы в первую. Количество элементов в группах в момент перехода выделяем подчеркиванием. Каждый прямоугольник рис. 4 есть новое состояние системы, обусловленное переходом элемента из одной группы деградации в другую и описываемое новым многомерным вектором состояния системы.

При ограничении количества групп деградаций тремя получен закон распределения случайной величины для системы с заменой элементов. Для трех групп: 12 - интенсивность перехода из 1-й во 2-ю группу деградации;

23 - интенсивность перехода из 2-й в 3-ю группу; 31 - интенсивность перехода из 3-й в 1-ю группу, т.е. интенсивность замены; 1, 2, 3 - интен(0) сивность случайных отказов в каждой из трех групп; m1 - начальное количество элементов в системе.

С учетом введенных ограничений получено математическое выражение вероятности количества элементов в группах деградации как функции времени и интенсивностей переходов.

(0) mP(t,m1,m2,m3) (0) m1!m2!m3!(m1 m2 m3)! 1 12 23 1223 12 1 12 2 31 1 12 1 23 2 31 3 1 exp 31 3 t 1 exp 23 2 t 2 23 (0) m1 m1m2 m 1 exp 12 1 t 12 m exp 12 1 t exp 31 3 t 122331 12 1 23 2 31 m (exp((23 2)t) exp((12 1) t)) 12 m 12 exp 31 3 t exp 23 2 t. (1) 12 1 23 Математические ожидания, полученные через момент производящей функции закона распределения случайной величины, позволяют рассчитать ожидаемое количество элементов в каждой их трех групп деградации в любой момент времени.

1223M (1(t) m1) A0 exp( (12 1)t) exp( (31 3)t), 12 1 2 31 M (2(t) m2) A0 (exp((23 2)t) exp((12 1) t)), (2) 12 12, M (3(t) A0 exp( (31 3)t) exp( (23 2)t)) 12 1 23 где коэффициент пропорциональности (0) m 1223(0) A0 m1 1 12 1 23 2 31 3 (0) m1 12233 122 1 .

12 1 23 2 31 3 12 1 23 2 12 1 Полученные выражения составляют математическую модель прогнозирования независимых отказов подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС.

На основе предложенной модели разработан алгоритм расчета дополнительного ресурса подсистемы ПАЗ ОПО в составе ИИУС (рис. 5), который формируется благодаря замене элементов.

Расчет значений интенсивностей 12, 23, 1, 2, 3 произвели, решая итерационно систему нелинейных уравнений:

r r12 k13 ln m1, э (0) j r1 r2 1 k1 r 12 23 k23 , ln э (0) mj 3 3 r1 r2 1 k1 r3 1 1 k1 1 k2 r 12 12 23 3 ln, (3) э (0) mjгде r1, r2, r3 - количество элементов в трех группах, разделенных по паспортным значениям интенсивностей отказов; k1, k2 - коэффициенты пропорциональности между этими группами; э - интенсивность отказов элементов.

Рис. 5. Алгоритм расчета дополнительного ресурса подсистемы ПАЗ r1 r1 наим. сред.

r1 j1 э r2 j1 э k1 ; k2 ; 1 k13 ; 2 k23. (4) r3 r1 наиб. наиб.

r3 j1 э r3 j1 э 0 , , таковы:

Начальные условия итерационного процесса 12 23 r r1 r 12 ln ; 23 ln (5) 0 r1 r2 ;

э э (0) (0) m1 j1 m1 j r1 r2 r3 1 r 30 ln .

э (0) mj В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований и внедрений ИИУС. Цель эксперимента - подтверждение достоверности расчетов количества элементов в группах деградации и дополнительного ресурса при замене элементов. Эксперимент проведен в ООО ТРЭИ ГМБХ г. Пензы путем ускоренных испытаний автоматизированной системы технологического прогона 4-канальных универсальных модулей М4AI4-20 аналогового ввода тока в диапазоне 4Ц20 мА, имеющих паспортную приведенную погрешность в рабочих условиях эксплуатации прв = 0,1 %.

Схема испытаний приведена на рис. 6. Испытания проведены по типовой методике Ф.1 стандарта РД В 319.01.11Ц98 (Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Типовые методики ускоренных испытаний на безотказность и долговечность. МО РФ. - М., 2000. - 92 с.) с рассчитанным коэффициентом ускорения (Ку), равном 7, при максимально допустимой для модулей М4AI4-20 температуре окружающего воздуха 50 C.

При среднем времени безотказной работы одного модуля M4AI-4-20, равном 98000 ч (что соответствует интенсивности отказов 1,0210Ц5 или 10200 FIT), среднее время безотказной работы системы, содержащей 256 аналогичных модулей, при Ку, равном 7, составляет всего 55 ч.

Разделяем модули по четырем группам деградации по пределам допускаемой приведенной погрешности в рабочих условиях эксплуатации:

первая группа модулей, обладающих приведенной погрешностью в рабочих условиях эксплуатации, - менее 0,05 %; вторая группа - от 0,05 % до 0,15 %; третья группа - от 0,15 % до 0,35 %; четвертая группа - более 0,35 %, или физический отказ модуля, т.е. потеря информационного обмена с модулем.

Результаты эксперимента показаны на рис. 7. Расчетные значения математического ожидания количества элементов в группах деградации (2) показаны сплошными линиями и обеспечивают достаточно высокую сходимость с результатами эксперимента (пунктирные линии).

RS485 канал диагностики.

M4AI-4-20 M4AI-4-20 M4AI-4-1 1,02 E-1,02 E-05 1,02 E-M4AI-4-M4AI-4-20 M4AI-4-2 1,02 E-1,02 E-05 1,02 E-M4AI-4-20 M4AI-4-20 M4AI-4-16 1,02 E-05 1,02 E-05 1,02 E-Рис. 6. Схема проведения эксперимента Количество элементов 31-я группа деградации прв.1 = 0,05 % 22-я группа деградации прв.2 = 0,15 % 23-я группа деградации прв.3 = 0,35 % 211124 72 96 120 192 240 t, ч 168 248 1Рис. 7. Зависимость количества элементов экспериментальной системы в разных группах деградации от времени Результаты экспериментальных исследований той же экспериментальной системы с заменой элементов изображены на рис. 8.

Замену проводим группой из 64 элементов системы, попавших в 3-ю группу деградации, момент замены определяем как время выхода любого элемента в 4-ю группу (группу отказа). Группа замены из 64 элементов выбрана с целью 64-кратного увеличения интенсивности отказов в группе замены, сокращения времени эксперимента и увеличения влияния группового элемента замены на экспериментальную ИИУС. Время скачкообразного изменения количества элементов в группах деградации соответствует времени замены.

В реальной системе проводят замену одного или группы элементов с истекающим ресурсом работы или по результатам диагностических тестов во время работы. Подчеркиванием на рис. 8 отмечены экспериментально 1/h 1/h 1/h №№№M832C M832C M832C ?= 3,1E-?= 3,1E-?= 3,1E-имитаторы сигналов датчиков защит имитаторы сигналов датчиков защит определенные времена замены элементов системы, время замены в эксперименте соответствовало времени выхода одного элемента из третьей группы деградации, или отказ элемента в любой группе деградации. Далее были произведены расчеты времени дополнительного ресурса экспериментальной системы с использованием алгоритма расчета дополнительного ресурса (рис. 4). Результаты сравнения экспериментальных и расчетных значений приведены в табл. 1. Очевидна высокая сходимость расчетных результатов с данными эксперимента, что подтверждает адекватность предложенной автором модели.

Рис. 8. Экспериментальная зависимость количества элементов системы в группах деградации от времени при замене элементов Таблица Сравнение экспериментальных и расчетных значений дополнительного ресурса экспериментальной системы Значения 1-я 2-я 3-я 4-я 5-я дополнительного замена замена замена замена замена ресурса, ч Экспериментальное 68 96 125 154 1Расчетное 68 99 130 159 1, ч 0 3 5 5 В работе проведено сравнение структур подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС. На примерах показано, что при замене элементов в подсистемах ПАЗ централизованной и децентрализованной структур время непрерывной работы увеличивается менее чем на 250 ч, в то время как для предложенной автором функциональной структуры подсистемы ПАЗ - на 2905 ч, т.е. более чем в 10 раз. Результаты оценки вероятности для функциональной структуры графически показаны на рис. 9.

P(t) 1-й график при 31 = 2-й график при 31 = 4,59 10Ц3-й график P(t) после замены 0,0,0,0,3Т* = 2905 ч 0,2 дополнительный ресурс ИИУС 890 1000 2000 3000 4000 5000 6027 7000 80t,ч Рис. 9. Графики зависимости вероятности безотказной работы от времени для функциональной структуры при замене элементов Приведены результаты практического внедрения результатов в подсистеме ПАЗ турбогенератора ГРЭС корпорации Казахмыс, с применением интеллектуальных универсальных модулей в/в (рис. 10).

Рис. 10. Элемент построения функциональной подсистемы ПАЗ ОПО - интеллектуальный универсальный модуль ввода/вывода М932С Модуль М932С разработан и серийно изготовляется предприятием ООО ТРЭИ ГМБХ для применения в качестве основного элемента подсистем ПАЗ. Вычислитель функции ПАЗ выполнен на базе программируемого микроконтроллера PIC18F8722.

Приведена общая схема построения ИИУС турбогенератора с применением в подсистеме ПАЗ модулей М932С (рис. 11).

Рис. 11. Схема ИИУС турбогенератора ГРЭС с подсистемой защит, построенной по функциональной структуре.

Основные результаты и выводы по работе:

1. Предложена новая классификация подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, отличающаяся от известных новыми классификационными признаками - локализацией вычисления функций ПАЗ и универсальностью модулей ввода-вывода, что позволило сформулировать технические требования, разрешающие существующие противоречия между сложившейся практикой применения структур ПАЗ в составе ИИУС и требованиями нормативных документов.

2. Предложена оригинальная структура подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, новизна которой подтверждена Патентом РФ, позволяющая осуществлять оперативную замену элементов системы подсистем ПАЗ, итерационно наращивать сложность подсистем ПАЗ ОПО, добавлять новые функции безопасности, проводить подтверждение соответствия и модернизацию без остановки ОПО и технологического процесса.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена новая математическая модель непрерывных и случайных отказов подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, основанная на Марковской модели прогнозирования отказов.

4. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден алгоритм расчета дополнительного ресурса подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС, который формируется при замене элементов.

5. Разработаны и внедрены ИИУС с улучшенными эксплуатационными характеристиками: ИИУС турбоагрегата К-55-90 с генератором ТЗФП-63-2МУ3 ГРЭС корпорации Казахмыс Республики Казахстан;

ИИУС котлоагрегатов № 1-6 БКЗ 420-130 Усть-Илимской ТЭЦ; ИИУС нефтепромыслов Казмунайгаз г. Атырау Республики Казахстан.

В приложении представлены справки о внедрении результатов работы, программы и протоколы испытаний подсистем ПАЗ и копия решения Роспатента о выдаче патента на изобретение функциональной структуры подсистем ПАЗ ОПО в составе ИИУС.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Рогов, С. Л. Контроллеры серии TREI-5B: Метрологические характеристики, возможности, сравнение с аналогами, перспективы / А. А. Данилов, С. Л. Рогов, А. А. Степанов // Автоматизация в промышленности. - 2003. - № 2. - С. 28Ц31.

2. Рогов, С. Л. Выбор аппаратных средств автоматизации для построения систем безопасности промышленных объектов / С. Л. Рогов, А. А. Степанов, В. В. Дьяченко // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2006. - № 10. - С. 34Ц39.

3. Рогов, С. Л. Необходимость и достаточность номенклатуры каналов ввода/вывода в промышленных контроллерах / С. Л. Рогов // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2008. - № 2. - С. 31Ц37.

4. Рогов, С. Л. Распределенные АСУТП в энергетике - мода или необходимость? / С. Л. Рогов // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2008. - № 5. - С. 15Ц21.

5. Рогов, С. Л. Противоаварийная защита: Теория, стандарты и практика построения систем на основе ПЛК / С. Л. Рогов // Автоматизация в промышленности. - 2010. - № 2. - С. 44Ц49.

6. Рогов, С. Л. Надежность измерительных систем, функционирующих в составе систем защиты опасных производственных объектов / С. Л. Рогов // Измерительная техника.Ц 2011. - № 5. - С. 64Ц66.

Публикации в других изданиях 7. Рогов, С. Л. Автоматизация контроля и управления воднохимическим режимом электростанций на базе современных программноаппаратных средств / С. Л. Рогов, Э. Декк, Л. М. Живилова, В. А. Костандян // Энергетик. - 2007. - № 2. - C. 35Ц39.

8. Рогов, С. Л. Об эффективности применения полевых устройств фирмы TREI в АСУТП объектов энергетики / С. Л. Рогов // Новое в российской энергетике. - 2008. - № 4. - С. 25Ц36.

9. Рогов, С. Л. Применение интеллектуальных устройств управления реверсивным приводом в системах РСУ и ПАЗ / С. Л. Рогов // Автоматизация и IT в энергетике. - 2012. - № 2. - С. 43Ц47.

10. Rogov, S. L. Reliability of measurement systems functioning as systems for the protection of dangerous production facilities / S. L. Rogov // SpringerLink. - URL: 11. Рогов, С. Л. Проблемы метрологического обеспечения при производстве и эксплуатации измерительных систем / С. Л. Рогов // Метрологическое обеспечение измерительных систем : сб. докл. науч.-техн. конф. - Пенза, 2004. - С. 59Ц62.

12. Положительное решение Роспатента № 2011109653/07(014009) от 14.12.2011 на заявку № 2011109653/07(014009) о выдаче патента на изобретение. Приоритет установлен по дате 15.03.2011. Автор - Рогов С. Л., RU. Патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью ТРЭИ ГМБХ, RU. Название изобретения - Система противоаварийных защит.

Научное издание РОГОВ Сергей Львович ПОДСИСТЕМЫ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ В СОСТАВЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы Редактор Ю. В. Коломиец Технический редактор А. Г. Темникова Компьютерная верстка А. Г. Темниковой Распоряжение № 13/2012 от 04.04.2012.

Подписано в печать 09.04.2012. Формат 60841/16.

Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 282. Тираж 100.

Пенза, Красная, 40, Издательство ПГУ Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям