Full Text

Введение С целью предотвращения аварийных ситуаций на оборудование и трубопроводы химических и смежных с ними производств устанавливают предохранительные клапаны (ПК) - арматурные элементы, предназначенные для экстренного сброса рабочего давления в тех случаях, когда оно превысит величину, допустимую технологическим регламентом. Процесс выбора ПК включает определение их технологических и конструкционных характеристик (далее - характеристик). Определение характеристик должно осуществляться в строгом соответствии с требованиями промышленной безопасности и представляет собой сложную инженерно-техническую задачу [1], результаты решения которой зависят от химического состава, давления, температуры и объема рабочей среды, а также параметров и типа технологического процесса, протекающего в конкретном виде оборудования. Ввиду этого процесс выбора марок ПК бывает продолжительным по времени и требует выполнения как операций поиска и обработки большого количества технических данных, так и процедур принятия интеллектуальных решений [2, 3]. Существенно упростить и ускорить определение характеристик ПК возможно, если разработать и применить проблемно-ориентированную систему (ПОС) [4, 5]. Однако анализ научно-технических литературных источников не выявил моделей [6-11] и алгоритмов [12, 13], которые без существенной корректировки можно было бы использовать для разработки такой ПОС. Исходя из сказанного выше, целью настоящего исследования являлась разработка моделей и алгоритмов, позволяющих автоматизировать выбор марок ПК в соответствии с требованиями правил промышленной безопасности. Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи: - осуществить анализ процесса выбора ПК как объекта компьютерного моделирования; - разработать логико-информационную модель, формализующую выбор марки ПК как организационно-технологический процесс; - разработать модели представления знаний о ПК, необходимые для автоматизации определения их характеристик; - разработать алгоритмы, позволяющие с помощью созданных моделей автоматизировать процедуры выбора марок ПК. Частично результаты решения этих задач, например разработка моделей представления знаний о ПК в виде продукционных правил, были даны в источнике [14]. В настоящей статье приведены результаты дальнейших исследований по теме управления выбором ПК. 1. Анализ процесса выбора предохранительных клапанов как объекта компьютерного моделирования При анализе процесса выбора предохранительных клапанов была рассмотрена соответствующая нормативно-техническая документация[1] и научно-техническая литература. В результате анализа установлено, что выбор необходимой марки ПК включает следующие основные этапы [14]: - расчет аварийного расхода рабочей среды - рабочего вещества, находящегося в аппарате или трубопроводе; - расчет эффективной площади седла ПК; - подбор требуемой марки ПК; - расчет необходимого количества ПК. Проведенный анализ показал, что наиболее сложным с точки зрения компьютерного моделирования является выполнение первого и второго этапов. Для первого этапа это обусловлено тем, что аварийный расход рабочей среды имеет сложные взаимосвязи с параметрами конкретного технологического процесса и его аппаратурного оформления, а также содержит специальные инженерно-технические расчеты, выполнение которых требует наличия хороших знаний по химической технологии. Сложность второго этапа обусловлена тем, что процедура определения эффективной площади седла ПК содержит не только операции поиска и обработки данных, но и, как уже упоминалось, принятия интеллектуальных решений. При этом установлено, что между характеристиками ПК и рабочей среды существуют зависимости, которые в большинстве случаев имеют дискретный характер. Анализ процедур определения характеристик ПК показал, что значительная часть указанных процедур может быть формализована с помощью методов теории искусственного интеллекта [2, 3], что позволяет автоматизировать их выполнение. 2. Логико-информационная модель процесса выбора предохранительных клапанов В результате анализа этапов выбора ПК, выполненного с помощью системного подхода [15, 16], была разработана логико-информационная модель (ЛИМ), формализующая решение этой задачи как организационно-технологический процесс (рис. 1). Рис. 1. Диаграмма верхнего уровня логико-информационной модели выбора предохранительных клапанов: ТР - технологический регламент; ТП - технический паспорт сосуда или трубопровода; GА - аварийный расход рабочей среды; FЭ - эффективная площадь седла ПК; N - количество ПК; БД - база данных; МЭД 1, 2, 3 - массивы экспертных данных, номера которых соответствуют номерам продукционных моделей представления знаний - ПМПЗ 1, 2, 3; А1, А21-23, А24, А34 - алгоритмы реализации соответствующих функций Указанные на рисунке продукционные модели представления знаний (ПМПЗ) были приведены авторами ранее в работе [14]. Разработка ЛИМ осуществлялась согласно методологии структурного анализа и проектирования SADT (Structured Analysis & Design Technique). Выбор методологии SADT [17, 18] обусловлен тем, что она часто используется при разработке сложных систем и рассматривается как неотъемлемая составляющая CALS-технологий [19, 20]. В РФ одновременно с методологией SADT также используется ее аналог - методология функционального моделирования[2]. Разработанная ЛИМ отличается учетом сложных взаимосвязей между различными этапами определения характеристик ПК, а также связей с базами данных и знаний, что позволяет автоматизировать выполнение указанных в ней этапов, а также обеспечивает высокую скорость обмена информацией. В качестве примера детализации ЛИМ на рис. 2 представлена декомпозиция блока А2 диаграммы (см. рис. 1). В декомпозиции описаны взаимосвязи между различными функциями процедуры расчета эффективной площади седла, а также базами данных и знаний. Рис. 2. Декомпозиция блока А2 диаграммы верхнего уровня логико-информационной модели: РН - давление настройки клапана; РНmin, РНmin - минимальное и максимальное давление настройки; DВЫХ - условный диаметр выходного патрубка; PN - номинальное давление ПК; РО - наибольшее избыточное давление за клапаном (избыточное давление за клапаном в положении его полного открытия); РПО - наибольшее избыточное давление перед клапаном (избыточное давление до клапана, равное давлению полного открытия); β - отношение значений давления; B2 - коэффициент для определения эффективной площади седла для газов и водяного пара; k - показатель адиабаты; RУД - газовая постоянная; ρ - плотность пара, газа или жидкости перед клапаном 3. Эвристическо-вычислительные алгоритмы выбора предохранительных клапанов В качестве механизма реализации функций, указанных в блоках ЛИМ, были разработаны соответствующие эвристическо-вычислительные алгоритмы. На рис. 3 приведен алгоритм А21-23, который позволяет автоматизировать выполнение блоков А21, А22 и А23. Рис. 3. Блок-схема эвристическо-вычислительного алгоритма определения характеристик ПК - А21-23: PN - номинальное давление; PО - наибольшее избыточное давление за клапаном; РПО - наибольшее избыточное давление перед клапаном; (DNВЫХ)J - возможные значения номинального диаметра выходного патрубка; J - количество значений DNВЫХ в строке ПМПЗ; i - количество строк в ПМПЗ Рис. 4. Блок-схема алгоритма определения марки и количества ПК - А34: α1 - коэффициент для расчет пропускной способности ПК, если среда - газ; α2 - коэффициент для расчет пропускной способности ПК, если среда - жидкость; Марка - марка ПК; G - пропускная способность ПК; DN - номинальный диаметр ПК; J - количество значений DNВЫХ в строке ПМПЗ; n - количество строк в БД; m - количество ПК Представленный на рис. 3 алгоритм формализует процесс определения следующих характеристик ПК: номинальное давление PN; наибольшее избыточное давление за клапаном РО, РПО - наибольшее избыточное давление перед клапаном и возможные значения номинального диаметра выходного патрубка DNВЫХ. Алгоритм отличается тем, что с помощью заданной исходной характеристики давления настройки PН и продукционных моделей представления знаний, приведенных в источнике [14], позволяет автоматизировать вычислительные и интеллектуальные процедуры принятия решений при определении характеристик ПК в соответствии с требованиями нормативно-технической документации. На рис. 4 приведен пример алгоритма А34, позволяющего автоматизировать выполнение блоков А3 и А4 диаграммы верхнего уровня ЛИМ (см. рис. 1). Алгоритм (см. рис. 4) отличается тем, что с помощью исходных параметров (PN, DNВЫХ, FЭ), а также баз знаний и данных позволяет автоматизировать вычислительные и интеллектуальные процедуры принятия решений при выборе марки и количества ПК в соответствии с требованиями нормативно-технической документации. Заключение Таким образом, в результате настоящего исследования с помощью анализа нормативно-технической документации и научно-технической литературы, а также с использованием системного подхода к процессу определения характеристик, марок и количества ПК были разработаны: - логико-информационная модель, отличающаяся тем, что формализует процедуру выбора предохранительных клапанов как организационно-технологический процесс и позволяет ее автоматизировать; - эвристическо-вычислительные алгоритмы, отличающиеся тем, что с помощью технологических характеристик рабочей среды и продукционных моделей представления знаний позволяют автоматизировать определение характеристик, марок и количества ПК в соответствии с требованиями нормативно-технической документации. Разработанные модели и алгоритмы позволяют создать ПОС, применение которой сократит длительность процедур поиска и обработки необходимой информации, а также снизит количество субъективных ошибок, что повысит качество определения конструкционных и технологических характеристик ПК, а следовательно, промышленную безопасность и экономическую эффективность химических и смежных с ними производств в целом.

About the authors

A. V Nikolin

Perm National Research Polytechnic University

E. R Moshev

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 71

PDF (Russian) - 34

Refbacks

• There are currently no refbacks.