CC BY
14
СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ УСТАНОВКИ СЖИГАНИЯ ЖРО
АНДРЕЕВА. М.
Уральская государственная горно-геологическая академия
Разработка сложных систем управления (СУ), таких, какой является система управления установкой сжигания жидких радиоактивных отходов (ЖРО), невозможна без тщательно обдуманного методологического подхода. Какие этапы необходимо пройти, какие мсгоды и средства ис-■ользовать - эти и другие вопросы решаются методологиями программной инженерии.
В настоящее время существует ряд общих методологий разработки СУ. Главное в них -единая дисциплина работы на всех этапах жизненного цикла системы, учет критических задач и шонтроль их решения, применение развитых инструментальных средств поддержки процессов «нализа, проектирования и реализации СУ.
Основополагающая концепция состоит в построении совокупности логических миделей предметной области при помощи (рафических методов структурного анализа. Структурный анализ как совокупность методов постановки задач проектирования СУ, ввиду значительной размерности решаемых задач, сам должен опираться на мощные средства компьютерной поддержки, обеспечивающей автоматизацию труда системных аналитиков. Такими средствами являются CASE системы.
Структурный анализ является одним из первых этапов создания СУ, на котором требования заказчика уточняются, формализируются и документируются. Целью анализа является преобразование общих знаний о предметной исходной области в точные определения и спецификации, а также генерация функционального описания системы.
Структурный анализ начинается с исследования того, как организована СУ, с обследования функциональной и информационной структур. По результатам обследования аналитик строит обобщенную структурную модель исходной системы, отражающую ее функциональную структуру, особенности основной деятельности и информационное пространство, в котором эта деятельность осуществляется.
Вторая стадия работы состоит в анализе модели, выявлении ее недостатков и «узких» мест, определении путей совершенствования СУ >е основе выделенных критериев качества.
Третья стадия содержит эксперименты проектирования, созданис усовершенствованной модели, отображающей реорганизованную СУ или ее часть.
Во многих аспектах структурный анализ является наиболее трудной частью процесса создания системы. Проблемы, с которыми встречается аналитик, взаимосвязаны, и это является одной из главных причин их трудной разрешимости. Разрешение этих проблем может быть облегчено за счет применения современных структурных методов, среди которых центральное место ззнимают методологии структурного анализа.
Структурным анализом принято называть методы исследования системы с помощью ее графического модельного представления, которое начинается с общего обзора и затем детализируется, приобретая иерархическую струюуру с все большим числом уровней.
Все методы структурного анализа базируются на ряде общих принципов, часть из которых регламентирует организацию работ на начальных этапах жизненного цикла СУ. В качестве двух базовых принципов используются следующие: принцип декомпозиции и принцип иерархическою упорядочивания. Выделение базовых принципов не означает, что остальные принципы являются
второстепенными.
До разработки инструментария струюурного системного анализа не было возможности показать лежащие в основе проекта логические функции и потребности системы, поскольку аналитик очень быстро "утопал" в деталях текущей и предпола1*емой реализации проекта.
Среди всего многообразия средств решения указанных задач в методологиях структурног о анализа наиболее часто и эффективно применяемыми являются:
- FDD (Functional Decomposition Diagrams) - диаграммы функциональной декомпозиции;
- DFD (Data Flow Diagrams) - диаграммы потоков данных;
- ERD (Entry Relationship Diagrams) - диаграммы "сущность-связь".
Все они содержат графические и текстовые средства моделирования. При помощи этих средств строятся как логические модели исходной и реорганизованной систем управления, так и
логическая модель автоматизированной СУ - подробное описание того, что и как должна система, освобожденное, насколько это возможно, от рассмотрения путей реализации.
Разнообразие структурных задач требует разработки разнообразных матричных форм бражения структурной информации. Так, например, информация об исходной структуре т. с. о непосредственных связях между вершинами графа, может задаваться матрицей см" или матрицей инциденций. Более специфичная структурная информация, которая извлекается помощи алгоритмов структурного анализа, например, информация о прямых путях и эле^ ных контурах графа, отображается соответствующими матрицами путей и контуров. Несмотря большое разнообразие матричных форм в структурном анализе, для решения прикладных недостаточно, в частности, из-за отсутствия матричных форм отображения о некасающихся турах графа.
Компьютерная обработка исходных матриц позволяет получить полные матрицы всех зей в системе, являющихся основой для проведения детализированного анализа функцион» ния СУ и определения возможных путей и схем развития в ней критических ситуаций. Для проводится структурный логический анализ полной структурной матрицы связей системы, рый позволяет определить для любого сс критического параметра полный набор всех нспос" венно и опосредованно воздействующих на него других параметров, выявить все возможные этих воздействий и выделить из них замкнутые контура формирующих их связей. Выдел" исследование всех таких контуров очень важно, так как они являются одним из главных порождающих нелинейности (резкий рост или возрастающие по амплитуде колебания) в дина параметров системы даже при линейных непосредственных связях между ними, и поэтому стать причиной выхода их на критические и опасные для существования системы уровни.
Далее осуществляется моделирование и прогноз поведения системы и проводится динамики возможного достижения ее критичными параметрами их предельных значений с делением времени этого достижения, а для стохастических систем - и с оценкой вероятности ществлсния.
Автоматизированная система управления установкой сжигания радиоактивных АЭС с РУ БН-800 и РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО с пристанционно ядерно-топливным циклом предн на для управления и контроля в реальном масштабе времени установкой сжигания твердых (с тивностъю не более 3,7 -104 Бк/кг) и жидких (с активностью не более 3,710' Бк/л) радиоак отходов, образующихся в процессе эксплуатации и вывода из эксплуатации оборудования А РУ БН-800 и РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО с комплексом ПЯТЦ.
В состав установки сжигания входят:
- узел сжигания;
- блок баков диэтоплива;
- блок баков ЖГРО;
- блок фильтров;
- блок выгрузки золы БВ31.
Предложенную общую схему структурного анализа и проектирования, включающую планирования реорганизованной деятельности СУ, произвести достаточно сложно и очень емко. Поэтому проведем струюурный анализ узла сжигания РО. В состав узла входят: печь, ра дожигания, барботер, ловушка, скруббер тарельчатый, теплообменник, бак щелочного ра, циклон-влагоотделитель, емкость приемная, а также насосы центробежные и баллоны для пана.
Контейнер с отходами поднимается к узлу загрузки печи. Через систему шлюзования, ключающую выход дымовых газов в рабочее помещение, отходы загружаются в печь на форкамеры.
За счет нагрева дымовыми газами и теплоизлучением из камеры сжигания отходы на бенкс подсыхают, прогреваются, пиролизуются и частично выгорают. При встряхивании отходы постепенно проваливаются между трубок ня верхнюю провальную колосниковую реш печи.
В токе дутьевого воздуха, подаваемого под колосники, происходит сгорание коксового татка. Зола и мелкие недогоревиже частицы просыпаются на нижние непровальные кол оси где при достаточном времени выдержки происходит их полное выгорание.
При повороте колосников зола ссыпается в бункер печи с воздухооклаждасмыми стен где она в течение суток остывает до 30-40 °С.
Дымовые газы из печи поступают в циклонную камеру дожигания, где в факеле горелки при фс 1200 °С и избытке кислорода происходит выгорание летучей сажи и газообразных <х продуктов. Объем камеры дожигания обеспечивает время пребывания дымовых газов не (2 секунд.
Из камеры дожигания отходящие газы через орошаемый газоход поступают в барботер, где :ходит их охлаждение до 80 °С за счет испарения жидкости. Из барботсра парогазовая смесь в тарельчатый скруббер с «я сигчатмми тарелками, оро-1ми циркулирующим щелочным )м. При прохождении парога-смеси через слой жидкости на псах происходит охлаждение газа I °С, конденсация пара, абсорбция IX газов и улавливание основной взвешенной твердой фазы. Первым шагом структурного является идентификация кон-системы. Большинство способов 4фикации для многосвязаных основаны на изучении инфор-1И, содержащейся в матрице ги. В матрице смежности >цами и строками являются коло-номера вершин графов. Матрица ности обозначается через {.9] = и определяется следующим спосо-г если в графе существует дуга мс-вершинами / и у, то соответст-1ий элемент матрицы смежности равен номеру дуги, в противном
I 5„ = 0.
С помощью алгоритма иденти-ции контуров и матрицы смежно*
строим исходный |раф системы Рис. I. Граф исходной системы
.1).
Ограниченность матричных способов идентификации контуров системы привела к разра-более сложных и универсальных методов. В частности, в работе был применен унизсрсаль-й метод идентификации контуров, основанный на построении прадерсва с корнем графа.
Для определения контуров системы необходимо построить матрицу контуров на вершинах рафа. теории графов матрица контуров [/] « определена следующим образом: строки матрицы соответствуют номерам контуров графа, а столбы - номерам вершин графа, если 1-й ко1гтур рафа содержит вершину с номером у, то элемент матрицы г„ = I, в противном случае 2Н = 0. Из матрицы контуров на вершинах (рафа видно, что исходная система управления состоит из 12 контуров.
Следующим этапом необходимо проверить взаимовлияние контуров системы друг на .Яруга, что выполняется с помощью матрицы касаний по два, которая вычисляется по формуле
РЪ-И'Ир.
В матрице касаний контуров по два строками и столбцами являются кодовые номера контуров исходного графа. Если /-й контур графа имеет общую вершину су-м котуром, то есть они являются касающимися, то элемс»гт матрицы/ч= 1« в противном случае/ч ш 0. Очевидно, что каждый контур графа касается самого себя, поэтому все элементы главной диагонали матрицы касаний равны I. В результате вычисления и анализа матрица касаний контуров по два видно, что только два контура из 12 не имеют взаимосвязи с другими контурами, все остальные контуры взаимосвязаны между собой.
Следующим шагом структурного анализа является декомпозиция многосвязной системы на подсистемы. Под задачей декомпозиции понимается выделение из исходной системы взаимодос-
тижимых подмножеств параметров, установление связей между тгими подмножесгвами и ние их соподчиненности. Эта задача тесно связана с нахождением сильных компонент графа строением их конденсации.
Для проведения декомпозиции системы необходимо матрицу смежности [Я] с коорГ ванными связями заменить на булеву матрицу смежности. Отличие состоит в том, что в матрице смежности не указаны номера дуг графа, соединяющие вгршины, а если сущ от вершины / к вершине у, то элемет- матрицы = !, в противном случае = 0. Далее к булевой матрице смежности прибавить единичную матрицу. Далее в соответствии с оп ным алгоритмом вычисляется матрица достижимостей. Матрица достижимостей обозна [/?) = [г„] и определяется следующим образом: если в графе существует, по крайней мере, один путь между вершинами X, и А}, то соответствующий элемент матрицы достижимостей в противном случае ху = 0. Далее необходимо вычислить матрицу контрдостижимостей [0. торой отображается структурная информация, обратная информации, содержащейся в достижимостей. Существуют различные способы посгросния матрицы контрдостижимосте«, нако из определения матриц Я и {) можно заметить, что столбец матрицы контрДОСПС совпадает со строкой матрицы достижимостей, т. е. справелливо матричное равенство (ф) где т-символ транспонирования матриц.
Для дальнейших вычислений найдем матрицу пересечений [Щ = [и-,,]. Матрица г определяется следующим образом: если одновременно существует путь от вершины с но; вершине графа с номером у, и наоборот, путь от вершины / к у, то элемент матрицы пе~ XV,, = 1, в противном случае = 0. Матрица пересечений определяется по вы <8> \0\, где ® - символ булсвого прямого умножения.
Столбцы и строки матрицы пересечений указывают на принадлежность с вершин !рафа к одному и тому же контуру. Особенности конфигурации матричного поля пересечений содержат информацию о взаимодостижимых подмножествах исходной си торыс выделяются в связные компоненты, соответствующие се подсистемам. Таким образом, веденный способ построения матрицы пересечений, применительно к реальной системе, я способом отображения найденных подсистем.
Дальнейшее построение конденсации графа и установление соподчиненности поде вершающие процесс декомпозиции системы, не вызывают затруднений и производятся г черкивания одинаковых строк из матрицы пересечений. В результате получаем матрицу (К), рицу подсистем.
Однако кажущаяся простота метода не позволит осуществить декомпозицию очень сисгсмы из-за большого объема вычислительных операций.
Из анализа матрицы [У] можно сделать вывод, что исходная многосвязная система из пяти СК (сильных компонент) подсистем:
1) первая подсистема включает в себя три АСР: расхода дымовых газов в печь, расхода слорода в дожигатель и расхода топлива в дожигатель;
2) вторая подсистема включает в себя АСР расхода дымовых газов в печь;
3) третья подсистема включает в себя две АСР: расхода кислорода в дожигатель и топлива в дожигатель;
4) четвертая подсистема включает в себя АСР расхода воздуха в барботер;
5) пятая подсистема включат в себя АСР расхода щелочи в скруббер.
С точки зрения структурного анализа, эти АСР представляют собой одну связанную с
и должны настраиваться одновременно. Дальнейшее разделение этих АСР может быть п" но лишь с учетом динамических характеристик каната регулирования.
Последним шагом при проведении структурного анализа яиляется выделение сильных понент, построение конденсации системы и установление соподчиненности АСР.
Для построения матрицы конденсации используем информацию, заключенную в м булевой смежности [.V] и матрице подсистем \ У]. По определенному алгоритму расчета выч сначала промежуточную матрицу [У], а затем и матрицу конденсации {£>], которая приве рис. 2.
1 2 3 4 5
15,1-
Рис. 2. Матрица конденсации
Матрица конденсации системы представляет собой матрицу смежности сильных компонент исходной системы. По матрице юнденсации строим конденсацию графа, по которой определяем «подчиненность выделенных АСР. Конденсация графа приведена ■а рис. 3.
В проделанной работе, проанализировав разработанную систему управления, выделили в ней сильные компоненты, основные подсистемы, их составные части и взаимосвязь.
В заключение следует добавить, что разнообразие структурных задач требует разработки разнообразных матричных форм отображения структурной информации. В работе применены как классические структурные матрицы, так и вновь разработанные Рис. 3. Конденсация рафа специальные матрицы, необходимые для отображения извлекаемой из графов различной информации.
Следует отмептть, что на практике предложенную общую схему структурного анализа и проектирования, включающую стадию планирования реорганизованной деятельности предпри-*тия, приходится встречать крайне редко. Такую работу могут выполнить лишь крупные, специализированные консалтинговые фирмы, способные подключить к работе специалистов в той области деятельности, которая подлежит анализу.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пояснительная записка к техническим)/ проекту / СвсрдНИИхиммаш. Екатеринбург, 2002
2. Прокофьев Е. В.. Ефремов В. //. Структурная и параметрическая идентификация технологических комплексов обогащения. Екатеринбург: УПТА, 2000.
3. Техническое ¡адание на проведение опытно-конструкторской работы «Система управления установкой сжигания радиоактивных отходов» / СвсрдНИИхиммаш. Екатеринбург, 2002.
4. Усенко В. В. Алгоритмизация структурного анализа систем управления. М.: Моск. энерг. ин-т, 1990. 58 с.
ОБ ОДНОМ ПОДХОДЕ К РАЗРАБОТКЕ АЛГОРИТМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТИПОВЫМ КОМПЛЕКСОМ ФЛОТАЦИИ НА БАЗЕ ТЕОРИИ НЕЧЁТКИХ МНОЖЕСТВ
ШВЕЙЦЕР Е. Р., ЕФРЕМОВ В. //.
Уральская государствен 1-ая горпо геологическая академия
Мы знаем, что флотация является одним из широко используемых технологических процессов обогащения руд цветных металлов и многих нерудных полезных ископаемых (уголь, соль, слюда и др.). Технологический процесс флотации осуществляется во флотомашинах различного типа и различного типоразмера. В практике промышленных процессов флотации находят применение флотомашины механические, пневмомеханические, а в последние годы стали применять высокопроизводительные машины чанового типа.
Известно также, что технологический процесс флотации осуществляется, как правило, по схемам, которые включают в себя операции основной и контрольной флотаций и двух-трбх пере-чистных операций. Особенностью флотационных процессов является наличие циркуляционных потоков или обратных технологических внутренних связей, что во многом усложняет процесс автоматического управления флотационными комплексами.
Кроме того, флотации подвергают либо монометаллические руды, например, медные либо полиметаллические руды, например, медно-цинко-свинцовые, и т. д. Флотация монометаллических руд осуществляется, как правило, по типовой схеме, включающей в себя основную, контрольную флотации и перечистныс операции. Флотация полиметаллических руд осуществляется, как правило, по различным коллективно-селективным циклам, включающим в себя коллективную флотацию (основную и контрольную либо только основную) и последующую селекцию (разделе-
