Методология прогнозирования и обеспечения надежности функционирования процессов и аппаратов многоассортиментных химических производств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, доктор технических наук Краснянский, Михаил Николаевич

• Краснянский, Михаил Николаевич
• доктор технических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор технических наук Краснянский, Михаил Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И ОБЕС- 19 ПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

1.1 Жизненный цикл многоассортиментных химических произ- 21 водств

1.2 Состояние вопроса проектирования многоассортиментных 33 химических производств

1.3 Состояние вопроса технической диагностики технологическо- 57 го оборудования

1.4 Состояние вопроса организации оптимального функциониро- 75 вания и технического обслуживания оборудования многоассортиментных химических производств

1.5 Состояние вопроса обеспечения надежности обслуживающего 93 персонала эргатических систем

1.6 Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРО- 128 ВАНИЯ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

2.1 Математические модели функционирования и отказов МХП

2.2 Критерий оптимальности решения задачи проектирования 148 МХП

2.3 Постановка задачи проектирования МХП на множестве со- 153 стояний функционирования

2.4 Алгоритм решения задачи проектирования МХП на множест- 160 ве состояний функционирования

-32.5 Структура автоматизированной системы- поддержки прогнозирования надежности функционирования ПиА МХП

ГЛАВА 3. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ТЕХНО

ЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ

СТРАТЕГИИ ЕГО РЕМОНТА

3.1 Постановка задачи технической диагностики состояния ТО

3.2 Математические модели диагностирования состояния ТО

3.3 Математическая модель определения возможных сроков про- 219 ведения ремонта ТО

3.4 Постановка задачи выбора оптимальной стратегии ремонта 229 ТО в условиях неопределенности

3.5 Алгоритм решения задачи технической диагностики, состоя- 239 ния ТО

3.6 Алгоритм решения задачи'выбора-оптимальной стратегии, ре- 252 монта ТО в> условиях неопределенности

3.7 Структура экспертной системы технической диагностики со- 262 стояния ТО

ГЛАВА 4. КАЛЕНДАРНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ РАБОТЫ МНОГОАС- 269 СОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

4.1 Математическая модель выпуска продукции МХП

4.2 Математическая модель автоматизированного построения 279 графика планово-предупредительных ремонтов ТО

4.3 Постановка задачи оптимального календарного планирования 294 работы совокупности ТС цеха в условиях ограниченности количества ремонтного персонала

4.4 Алгоритм решения задачи оптимального календарного пла- 297 нирования работы совокупности ТС цеха в условиях ограниченности количества ремонтного персонала

4.5 Структура автоматизированной системы календарного плани- 311 рования работы МХП

ГЛАВА 5. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИС- 321 ТЕМА НЕПРЕРЫВНОЙ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ ИНЖЕНЕРНОГО ПРОФИЛЯ

5.1 Применение САЬ8-технологий при проектировании информа- 323 ционно-образовательной среды

5.2 Структура АИС непрерывной подготовки специалистов ин- 332 женерного профиля

5.3 Методики организации удаленного компьютерного доступа к 343 лабораторному и промышленному оборудованию

5.4 АИС тренинга персонала МХП

5.5 Применение методик удаленного компьютерного доступа к 383 лабораторному и промышленному оборудованию при создании АИС непрерывной подготовки специалистов инженерного профиля

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методология прогнозирования и обеспечения надежности функционирования процессов и аппаратов многоассортиментных химических производств»

Современный уровень развития технологий формирует высокие требования к надежности функционирования промышленных производств. Каждая непредвиденная остановка выпуска продукции по причине выхода из строя единицы технологического оборудования (ТО) приводит к значительным материальным потерям вследствие недовыпуска продукции, нарушения ритмичности производства, потери дорогостоящего сырья, необходимости проведения ремонтных работ. При этом доля «человеческого фактора» как первопричины аварийной ситуации возросла с 20% в 60-х годах XX века до 80%^ в настоящее время. Специфика многоассортиментных химических производств (МХП), использующих в производстве пожаро- и взрывоопасные, токсичные, высококоррозионные вещества, делает особенно актуальным предотвращение* возникновения внештатных ситуаций, развитие которых может-привести к серьезным авариям, экологическим, катастрофам и человеческим жертвам [1,2].

Добиться безаварийной ритмичной работы химико-технологических производств возможно лишь в результате реализации системного подхода к обеспечению надежности функционирования процессов и аппаратов (ПиА) многоассортиментных химических производств на всех этапах жизненного цикла. Использование единого информационного пространства, удовлетворяющего требованиям САЬ8-технологий, призвано повысить эффективность и надежность работы всех служб, задействованных на различных этапах жизненного цикла технической системы (ТС). Постановка задач оптимального проектирования, планирования и обслуживания МХП; разработка математических моделей функционирования проектируемых объектов и производственных процессов; обоснование подходов к решению поставленных задач дает возможность описать всю технологию создания и эксплуатации технических систем в течение их жизненного цикла.

Методологические основы проектирования многоассортиментных производств, математические формулировки задач календарного планирования выпуска продукции, принципы технической диагностики и организации обслуживания технологического оборудования, методы и алгоритмы решения задач рассматривались в научных публикациях В.В. Кафарова, JI.C. Гордеева, В.В. Макарова, А.Ф. Егорова, С.И. Дворецкого, И.Е. Гроссмана, Г.В. Реклейтиса и других ученых. Основные направления и методики подготовки и обеспечения надежности работы обслуживающего персонала эргатических систем сформулированы в работах В.П.Зинченко, П.Я. Шлаен, Е.С. Полат, Т.Б. Чистяковой, И.Т. Фролова, Ж. Кристенсен, Д. Мейстер, П. Фоули. Значительный вклад в разработку теории« и методов оптимального проектирования и управления многоассортиментными химическими производствами^ внесли сотрудники научной школы "Теория и методы автоматизированного проектирования производств химического и машиностроительного профиля", созданной в Тамбовском государственном техническом университете (ГОУ ВПО ТГТУ) под руководством E.H. Малыгина. Анализ отечественных и зарубежных публикаций по проблеме прогнозирования и обеспечения надежности функционирования ПиА МХП приводит к выводу, что предложенные до настоящего времени подходы к ее решению ориентированы на отдельные фрагменты жизненного цикла МХП, не учитывают взаимного влияния задач этапов проектирования и эксплуатации, игнорируют проблему комплексной подготовки и повышения квалификации обслуживающего персонала и не позволяют достаточно корректно прогнозировать и обеспечивать показатели надежности функционирования рассматриваемых производств. Поэтому разработка методологии прогнозирования и обеспечения надежности функционирования ПиА МХП, которая, с одной стороны, учитывала бы технологию создания и функционирования технических систем, обеспечивала бы совместимость отдельных этапов жизненного цикла, а с другой — позволяла снизить влияние человеческого фактора на надежность функционирования ПиА, является, несомненно, актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с координационным планом Межвузовской НТП «Теоретические основы химической технологии» на период 1995-2000 г.г.; планами НИР Тамбовского государственного технического университета в 1994-2005 г.г., в том числе № 18/97 «Разработка и внедрение математического и программного обеспечения подсистемы АСУП «Технологическое и организационное обеспечение выпуска продукции Производства дисперсных красителей» (1997-2002 г.г.); программами Министерства образования и науки РФ «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное' обеспечение системы» образования» (2001-02 г.г.); «Создание системы открытого образования» (2003 г.), «Развитие информационных ресурсов и технологий: Индустрия! образования» (2004 г.), «Развитие научного потенциала высшей школы (20092010 годы)»; грантом'РФФИ № 06-08-96352-рцентра «Разработка,теории и методов^ интеллектуального автоматизированного проектирования производств химического илмашиностроительного профиля (разработка"новых и перепрофилирование действующих производств)» (2006-07 г.г.); государственным контрактом № 02.740.11.0624 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».

Объектом исследования в работе являются методы прогнозирования и обеспечения надежности функционирования ПиА на этапах проектирования и эксплуатации МХП.

Предметом исследования являются свойства и особенности функционирования ТО МХП, влияющие на организацию выпуска продуктов и надежность функционирования ПиА; математические модели функционирования и диагностирования ПиА МХП; отказы ТО; влияние деятельности человека-оператора на надежность и эффективность функционирования ПиА.

Целью работы является разработка методологии прогнозирования и обеспечения надежности функционирования ПиА МХП с учетом влияния человеческого фактора. Для достижения цели необходимо: исследовать системные связи и закономерности процессов проектирования и эксплуатации МХП, методы повышения надежности функционирования оборудования, методики подготовки специалистов инженерного профиля для промышленных предприятий;

- разработать методику формирования информационно-аналитического регламента МХП, как информационной основы для решения задач обеспечения надежности функционирования, ПиА на этапе эксплуатации,, а также - при последующей реконструкции;

- изучить свойства и особенности- функционирования, ПиА МХП, разработать математическую^ постановку задачи- проектирования МХП на* множестве состояний^ функционирования, математические модели функционирования и отказов МХП, алгоритм решения задачи; разработать математическую постановку задачи технической-диагностики состояния- технологического- оборудования и комплекс математических моделей диагностирования состояния ТО;

- разработать математическую постановку задачи выбора оптимальной стратегии ремонта ТО в условиях неопределенности, математические модели определения возможных сроков проведения ремонтов оборудования и выбора стратегии ремонта в условиях неопределенности, алгоритм поиска оптимального типа планируемого ремонта и сроков его проведения;

- разработать математическую постановку задачи оптимального календарного планирования работы совокупности ТС цеха с учетом проведения планово-предупредительных ремонтов (ППР) оборудования в условиях ограниченности количества ремонтного персонала, математические модели выпуска продукции и автоматизированного построения графика ППР

ТО, алгоритм поиска оптимального расписания выпуска продукции и ремонта оборудования в масштабах цеха;

- разработать структуру автоматизированной информационной системы (АИС) непрерывной подготовки специалистов инженерного профиля, которая обеспечит взаимодействие образовательных и промышленных ресурсов как при обучении студентов, так и повышении квалификации обслуживающего персонала предприятий; разработать методики удаленного многопользовательского компьютерного доступа к лабораторному и промышленному оборудованию по каналам Интернет; разработать постановку задачи, проектировашш тренажерного комплекса для обучения персонала МХП, математическую' модель деятельности оператора ТС;

- разработать модели обучения-! и тренинга персонала МХП, а - также разработки автоматизированных лабораторных практикумов (АЛЛ) удаленного доступа;

- разработать автоматизированную систему поддержки принятия решений при проектировании и эксплуатации МХП, тренинга персонала МХП; непрерывной подготовки специалистов инженерного профиля.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы и приложений.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Краснянский, Михаил Николаевич, 2010 год

1. Подсистема измерения осуществляет обеспечение измерений текущих параметров лабораторного эксперимента. Включает электронные элементы преобразования электрических величин в кодированную информацию.

2. По степени удаленности обучающегося:- АЛП удаленного доступа;- корпоративные АЛП;- локальные АЛП.

3. По программно-аппаратному обеспечению практикума:- расчетно-исследовательские АЛЛ;- АЛЛ на базе математических моделей;- АЛЛ с использованием ранее накопленных данных;- АЛЛ на базе лабораторного оборудования;- АЛЛ на базе промышленного оборудования.

4. По согласованию времени проведения практикума:- on-line АЛЛ без предварительного согласования времени проведения;- on-line АЛЛ с предварительным согласованием времени проведения;- off-line АЛП.

5. По степени воздействия обучающегося на ход эксперимента:- АЛП с возможностью сбора и анализа информации;- АЛП с возможностью сбора информации и управления объектомисследования.

6. По количеству обучающихся одновременно выполняющих практикум:- индивидуальные АЛП;- АЛП многопользовательского доступа.

7. Учебно-методическая оснащенность лабораторного практикума.

8. Информационное обеспечение лабораторного практикума.

9. Демонстрация хода протекания эксперимента в режиме on-line по изменению соответствующих режимных характеристик.

10. Получение обучающимся результатов эксперимента по его окончании.

11. Кафедральный \уеЬ-сервер. Обеспечивает доступ к основному объему учебно-методического материала для проведения АЛЛ по соответствующей дисциплине в сети Интернет. Осуществляет навигацию студента по необходимым серверам в процессе его обучения.

12. SQL-сервер. Обеспечивает доступ к базам справочных данных, необходимых для выполнения лабораторных и расчетных работ в процессе дистанционного обучения, а также накопление результатов эксперимента.

13. Лабораторный сервер. Компьютер, обеспечивающий опрос устройства ввода информации и предоставление данных для последующего использования.

14. Устройство ввода информации. Обеспечивает аналого-цифровые преобразования сигналов, снимаемых с датчиков лабораторной установки.

15. Низкие затраты на ее осуществление. Это объясняется использованием свободно распространяемых программных продуктов, таких как операционная система RedHatLinux, web и SQL серверы, JAVA компилятор и др.

16. Отсутствие необходимости предварительной закачки и инсталляции на компьютере обучающегося программного обеспечения лабораторного практикума.

17. Возможность демонстрации производственного процесса на пожаро-, взрывоопасных, вредных предприятиях.

18. Ограниченность доступа обучающихся в рамках предприятия. Границы информационного доступа четко регламентируются самим предприятием.

19. Хотя бы частичная автоматизация технологического процесса.

20. Наличие на оборудовании необходимого набора датчиков, характеризующих в достаточной степени текущее состояние технологического процесса.

21. Оснащенность технологического процесса устройствами сопряженияс ПК.

22. Модуль тестирования. Реализует функции проверки теоретических знаний обучаемого в предметной области, а также знание технологических процессов, моделируемых в АИС. Включает файлы с тестовыми заданиями и протоколами тестирования обучающихся.

23. Тренажерный комплекс предназначен для выработки практических навыков управления ТС в штатных режимах, а также проверки правильности и своевременности действий операторов при возникновении внештатных и аварийных ситуаций. Комплекс включает:

24. Модуль сетевого взаимодействия, обеспечивающий тренинг группы операторов, осуществляющих совместное управление ТС; формирование сценариев тренинга и возмущающих воздействий преподавателем; совместную работу других модулей.

25. Модуль преподавателя. Включает панели формирования задания для тренинга и возмущений в ходе его проведения; контроля текущего состояния тренинга и просмотра базы протоколов тренинга.

26. Элементы управления используемые обучающимся для передачи управляющего воздействия на систему управления. Характеризуются небольшой смысловой нагрузкой и информативностью.