Подсистемы противоаварийной защиты опасных производственных объектов в составе информационно-измерительных и управляющих систем Рогов, Сергей Львович

Введение к работе

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. Ца- пенко, 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 противоаварий- ной 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 информационно- измерительных и управляющих систем и единственного на текущий момент в России положительного опыта сертификации отечественного оборудования для интегрального уровня безопасности SIL3 в немецком испытательном центре TUV.

Научная новизна заключается в следующем:

4. 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 научно- исследовательской 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 противо- аварийных 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:

   4. 4. 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:

         4. 4. 4. 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 научно- практической конференции фирмы TREI GmbH (Москва, 2010).

                  Личный 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.

                  Похожие диссертации на Подсистемы противоаварийной защиты опасных производственных объектов в составе информационно-измерительных и управляющих систем

                  

                  Информационно-измерительная система в составе системы обнаружения объектовГусева Галина Вячеславовна

                  Алгоритмическое обеспечение информационно-измерительной системы для первичной подготовки летного состава маневренных самолетовСвятенко, Инна Юрьевна

                  

                  Структурный метод проектирования аппаратного состава (системного интерфейса) сложной информационно-измерительной системы с заданными метрологическими характеристикамиАвдеюк Оксана Алексеевна

                  

                  Развитие теории и разработка мультиплексированных волоконно-оптических информационно-измерительных систем мониторинга сложных технических объектовЗеленский, Владимир Анатольевич

                  Повышение эффективности информационно-измерительных и управляющих систем агрегатов бесперебойного электропитания автономных объектовНовиков, Александр Анатольевич

                  

                  Способы повышения точности информационно-измерительных систем ориентации подвижных объектовШведов Антон Павлович

                  Методология проектирования информационно-измерительных систем тренажеров подвижных наземных объектовКурочкин Сергей Александрович

                  

                  Информационно-измерительная система с оптическим преобразователем для контроля температуры объектовФаррахов Рузиль Галиевич

                  Интеллектуальная информационно-измерительная система разграничения потоков данных при мониторинге сложных объектовСевалкин, Александр Алексеевич

                  

                  Обработка сигналов в информационно-измерительных системах дистанционного обнаружения и идентификации подвижных наземных объектовМележиков, Евгений Владимирович