Software & Systems

Потребность в веществах высокого качества и сложного строения ведет к расширению химико-технологических систем (ХТС). Увеличение количества взаимосвязанных производств, состоящих из нескольких установок, в свою очередь являющихся соединением агрегатов множества элементов, снижает надежность работы всей системы в целом.

Симптомы снижения надежности – увеличение количества неисправностей и аварий, проявляющихся при эксплуатации оборудования технологических систем, – требуют привлечения к контролю за надежностью работы аппаратов систем искусственного интеллекта.

Основное проявление надежности – отказы – выходы элементов из строя, приводящие в итоге к отказу работы всей ХТС.


Рис. 1. Структура семантической сети способов обеспечения надежности

Эффективным способом профилактики отказов является инженерно-технический анализ работы системы. Такой анализ повышает надежность своевременным выявлением признаков и установлением характера отказов. Изучение причин возникновения отказов и исследование влияния отказов отдельных элементов и аппаратов на отказ ХТС в целом может, кроме существенного повышения надежности, также увеличить экологическую безопасность ХТС [1].

С ростом количества элементов, которые должны своевременно анализироваться и находиться под контролем человека, возрастает вероятность совершения ошибки обслуживающим персоналом. Для снижения роли человеческого фактора в обеспечении надежности работы ХТС необходима разработка системы комплексного анализа и проверки действий лица, принимающего решение, находящейся под контролем электронно-вычислительного устройства.

К разработке такой системы, кроме программистов, должны быть привлечены специалисты с большим практическим опытом, инженеры и эксперты в разрабатываемой области. Объединение знаний квалифицированных специалистов в экспертной системе позволит сохранить опыт и снизить роль квалификации лица, принимающего решения, в управлении производством.

На начальном этапе разработки экспертной системы проверки элементов ХТС предполагается выпуск демонстрационной версии с минимальным содержанием в базах и небольшим количеством продукционных правил. Уже первоначальная версия предусматривает возможность проверки надежности отдельных элементов и при ее совершенствовании. Дальнейшее развитие демонстрационной версии предполагает переход на уровень исследовательской версии.

Экспертная система рассматривает способы обеспечения надежности (рис. 1.)

Технический способ включает в первую очередь диагностику. Сюда также входят техническое обслуживание и резервирование (дублирование), если невозможно обеспечение надежности иным способом.

Второй способ обеспечения надежности – технологический – включает качество подготовки сырья (предварительную очистку от абразивных примесей и коррозионно-агрессивных компонентов), создание благоприятных условий для тепло- и массообмена, организацию рациональных технологических режимов и т.п.

На начальной стадии создания экспертной системы надежности наиболее важным вариантом из технических способов является диагностирование – определение возможных причин неправильного функционирования и отказов технической системы по результатам наблюдений, оно связано со сборами информации о неисправностях, с их классификацией и сопоставлением с гипотезами появления отказов (рис. 2).

Рис. 2. Структура семантической сети диагностики отказов

В результате диагностики устанавливается характер отказа и составляется нормализованная задача для решения вводной из определенных областей (технической и технологической), а также выявляется причина возникновения отказа, которая по данным [2] распределяется в соотношении: 45 % – для проектно-конструкторских, 35 % – для производственно-изготовительных и 20 % – для эксплуатационно-технологических отказов.

Рис. 4. Линейная схема системы “Разделение” для оценки параметров агрегатов

Н1, Н2, Н3 – насосы; Х1 – холодильник; Т1 – теплообменник; Е1 – емкость; К1 – колонна

Экспертная система должна уделять соответствующее внимание анализу сопряжений и взаимодействий элементов при проектировании, допустимому проценту несоответствий качества элементов при изготовлении и технологическому режиму эксплуатации агрегатов.

В технологических способах обеспечения надежности наибольшее внимание необходимо уделять системотехническому анализу технологической схемы, который устанавливает основные параметры, определяющие надежность ХТС.

Из определения надежности – вероятность отказа при изменении параметров (вероятность поломки в экстремальной ситуации) – вытекает основной признак классификации отказов как случайных событий по изменению основного параметра объекта до возникновения отказа. Здесь в первоначальном варианте рассматривается только внезапный отказ. Далее к рассмотрению необходимо принять причинно-следственные взаимосвязи между отказами (первичные и вторичные) и учитывать изменение вероятности появления отказа (независимые, зависимые отказы). Последнюю группу отказов можно характеризовать как вторую ступень надежности (надежность надежности). Из действующих технологических параметров (продолжительность, расход, температура и давление) выделены определяющие, которыми являются изменяющиеся параметры. Продолжительность не имеет ускорения, и на данном этапе исключается из параметров, влияющих на надежность.

Здесь необходимо определить долговечность как продолжительность работы без отказов от ввода в эксплуатацию до первого отказа или между двумя отказами.

Рис. 3. Простейшая система агрегатов

 Система разделения

С – сырье; Г – газ; Д –- дистиллят; О – остаток

Дальнейшее развитие экспертной системы, учитывающей долговечность, должно включать параметр времени, который на первом этапе развития системы достаточно рассматривать только как сопровождающий химико-технологический процесс параметр.

Большинство ХТС работает без изменения объема (кроме поршневых насосов, резервуаров с плавающей крышей и некоторых других редко применяемых устройств), поэтому этот параметр также не является определяющим.

Расход – производный параметр от времени и объема, исключенных выше.

Остаются два параметра – температура и давление, изменение которых увеличивает вероятность отказа, то есть снижает надежность ХТС.

Рис. 5. Семантический граф агрегата “Насос Н1” для оценки надежности элементов

ПДШ – подшипник; ЭДВ – электродвигатель; МФТ – муфта; ВАЛ – вал; ОБК – обратный клапан; ТРУ – торцевое уплотнение; КЛС – колесо; МНМ – манометр; ЗДВ – задвижка; НСС – насос

Для систематического анализа в качестве образца, на котором отрабатывается модель экспертной системы, взята наиболее распространенная и простая система агрегатов, применяемая в химической технологии для разделения [3] гомогенной смеси жидкостей с различной летучестью (рис. 3).

Система включает агрегаты, которые в последовательности увеличения количества элементов, диагностики и, соответственно, снижения надежности можно расположить в следующем порядке: емкость, теплообменник (холодильник), колонна, насосы. Система также содержит большое количество элементов арматуры и автоматизации, которые для простоты на данном этапе не рассматриваются.

Для анализа и обработки информации технологическая схема преобразуется в линейную [4], имеющую один корень, соответствующий сырью, цикл создания жидкостного орошения и три висячие вершины, соответствующие основному продукту – дистилляту – и побочным – остатку и газу (рис. 4).

На следующем уровне детализации разбирается каждый агрегат, и на основе связей между элементами строится граф агрегата. В данном случае рассматривается центробежный насос как наиболее характерный с точки зрения необходимости обеспечения надежности (рис. 5).

Семантический граф представляет собой неоконченную ветвь БА на стволе движения потока ВГ. Полное дерево образуется при соединении графов всех агрегатов, составляющих ХТС [5]. Окончательный граф является основой для составления алгоритма программы оценки надежности технологической системы.

Каждый этап сопровождается вводом информации в базу фактов, составляемую на основе фреймов (минимальных смысловых описаний в словесной структурно-классифицированной форме иерархических знаний).

Описание одного из насосов в форме фрейма приводится на рисунке 6.

Разложение агрегата на элементы, также сопровождаемое составлением блочно-функциональных структур в форме фреймов, производится до тех пор, пока в итоге не получается наипростейший элемент, имеющий максимальную надежность.

По специальной методике определяется количественный показатель надежности каждого элемента и вычисляется надежность агрегата в целом. При этом не исключается возможность, что при соединении нескольких элементов надежность агрегата будет превышать надежность отдельного элемента. Это может быть установлено в процессе разработки исследовательской экспертной системы.

При создании демонстрационной экспертной системы по информации, введенной в базы, на основании продукционных правил и методик расчета необходимо определить соотношение надежностей агрегатов и с целью сбалансирования показателей по всей ХТС рекомендовать метод решения проблемы. В зависимости от результатов расчетов это может быть необходимое упрощение системы (уменьшение количества элементов) или добавление элементов для компенсирования изменения параметров (установка предохранительного клапана (рис. 7,Б), байпаса (рис. 7,В), компенсаторной линзы), резервирование (экспертная система должна указать количество агрегатов в резерве (рис. 5,А)) и т.п.

Интерпретация результатов, полученных в процессе работы экспертной системы, в особенности на стадии обучения, обеспечивается созданием динамической модели. Динамическая модель строится на основе линейной схемы с учетом информации, заключенной в графах соответствующих агрегатов, дополнения недостающих сведений во фреймах в прямом диалоге между лицом, принимающим решение, и экспертной системой и при использовании заложенных ранее расчетных методик. Результаты работы динамической модели демонстрируются на цепочке элементов с указанием состояния объекта, причинно-следственных отношений с вероятностью отказа как каждого элемента, так и всей ХТС в целом на данный момент. При необходимости динамическая модель должна визуализировать состояние объекта при изменении параметра времени (с масштабированием).

Возможности современной вычислительной техники позволяют также существенно расширить блок визуализации [6]. Когнитивная графика как совокупность программных средств позволит пользователю визуально воспринимать процесс и результат поиска решений благодаря установлению взаимосвязи между изображением на экране дисплея с процессами образного мышления, протекающими при решении экспертной системы неформализуемой задачи [1], определения надежности ХТС.

Список литературы

1. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. - М.: Химия, 1995.

2. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. и др. Обеспечение и методы оптимизации надежности химических и нефтехимических производств. - М.: Химия, 1987.

3. Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа. - 4.2. - М.: Химия, 1980.

4. Абызгильдин А.Ю. Схема перегонки нефти с применением новых условных изображений // Теория и практика массообменных процессов химической технологии. - Матер. Всерос. науч.-практ. конф. -Уфа: УГНТУ, 1996. - С. 214-218.

5. Евстигнеев В.А., Касьянов В.Н. Теория графов. - Новосибирск: ВО Наука, 1994.

6. Солодовников Д.С., Абызгильдин А.Ю. Визуализация технологического процесса. // Матер. Всерос. науч. конф.: Теория и практика процессов химтехнологии (Марушкинские чтения). - Уфа: УГНТУ, 1996. - С. 96.