Система автоматизованого контролю параметрів спалювання в теплоенергетичних установках

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

СИСТЕМА АВТОМАТИЗОВАНОГО КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТРІВ СПАЛЮВАННЯ В ТЕПЛОЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВКАХ

Спеціальність 05.13.05 - комп`ютерні системи та компоненти

Чернецький Євгеній Вячеславович

Донецьк-2011

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі автоматизації виробничих процесів Державного вищого навчального закладу «Український держаний хіміко-технологічний університет», Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України, м. Дніпропетровськ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Володарський Євген Тимофійович, професор кафедри автоматизації експериментальних досліджень Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», м. Київ

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Чичикало Ніна Іванівна, завідувач кафедри радіотехніки та захисту інформації Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк

доктор технічних наук, доцент Щапов Павло Федорович, професор кафедри інформаційно-вимірювальних технологій та систем Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут», м. Харків

Захист відбудеться 14 квітня 2011 року о 14⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.03 Донецького національного технічного університету за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 8, ауд. 8.704.

Із дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп. 2.

Автореферат розісланий «12» березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.052.03, кандидат технічних наук, доцент Г.В. Мокрий

АНОТАЦІЯ

Чернецький Є.В. Система автоматизованого контролю параметрів спалювання в теплоенергетичних установках. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти. - ДВНЗ „Донецький національний технічний університет”. - Донецьк, 2011.

Дисертація присвячена проблемі зменшення викидів забруднювальних речовин в атмосферу від спалювального устаткування за рахунок підвищення вірогідності контролю вмісту О₂ в димових газах. Поставлене завдання вирішувалося за допомогою структурно-алгоритмічного методу деформації характеристики перетворення вимірюваного каналу. У роботі проведено аналіз промислових умов експлуатації систем автоматизованого контролю та визначено основні параметри, які впливають на вірогідність отриманих даних. З урахуванням впливових факторів було визначено цільову функцію ефективності методу деформації характеристики перетворення вимірювального каналу та граничні умови для вибору адитивного чи мультиплікативного циклу деформації. Відповідно до граничних умов сформульовано алгоритм використання методу деформації. На підставі аналізу було встановлено, що похибки формування допоміжних величин не завжди призводять до зменшення ефективності методу деформації. Для перевірки отриманих результатів було створено модель системи автоматизованого контролю. У результаті моделювання було підтверджено ефективність запропонованих алгоритмів використання методу деформації.

Ключові слова: забруднення атмосфери, вірогідність контролю, інформаційно-вимірювальний канал, структурно-алгоритмічні методи, мікроконтролер, газоаналізатор, хибна та невизначена відмови, адитивна та мультиплікативна складові систематичної похибки.

автоматизований контроль деформація промисловий

АННОТАЦИЯ

Чернецкий Е.В. Система автоматизированного контроля параметров сжигания в теплоэнергетических установках. - Рукопись. Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - компьютерные системы и компоненты. - ГВУЗ „Донецкий национальный технический университет”. - Донецк, 2011.

Диссертация посвящена проблеме сокращения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от сжигающего оборудования за счет повышения достоверности контроля содержания О₂ в дымовых газах. Решения поставленной задачи выполнялось с помощью структурно алгоритмического метода деформации характеристики преобразования измеренного канала. Применение комплексного подхода повышения достоверности контроля позволяет, имея базовый набор элементарных средств контроля, путем изменения взаимосвязей между ними, а также алгоритма контроля образовывать гибкие автоматизированные средства, ориентированные на целый класс объектов, которые характеризуются одинаковой формой представления исходящих и/или входящих величин, воспроизводящих контролируемые параметры. При этом не исключается возможность улучшения характеристик элементарных средств.

Проведен анализ промышленных условий эксплуатации систем автоматизированного контроля и определены основные параметры, которые влияют на достоверность полученных данных. С учетом влияющих факторов была определена целевая функция эффективности метода деформации характеристики преобразования измерительного канала и предельные условия для выбора аддитивного или мультипликативного цикла деформации. Установлено, что увеличение количества циклов деформации не приводит к изменению предельных условий, что позволяет упростить алгоритм использования метода деформации характеристики преобразования измерительного канала и не рассчитывать предельные условия для каждого последующего цикла деформации. Соответственно предельным условиям сформулирован алгоритм использования метода деформации. В связи с тем, что для использования метода необходимо подавать на вход измерительного канала вспомогательные величины, которые соответствуют нижней и верхней границе контроля, проведен анализ влияния погрешности формирования вспомогательных величин на эффективность метода деформации. После проведенного анализа было установлено, что погрешность формирования вспомогательных величин Д₀ по-разному влияет на мультипликативный и аддитивный циклы деформации. Так, при мультипликативном цикле происходит одинаковое снижение эффективности метода деформации характеристики преобразования измерительного канала как на первом, так и на втором этапах, то есть эффективность внутри цикла деформации не будет изменяться. А при аддитивном цикле деформации на разных этапах деформации погрешность формирования вспомогательных величин будет влиять по-разному. Поэтому определены граничные условия выбора этапов аддитивного цикла деформации с учетом значения Д₀. Так же определено, что погрешности формирования вспомогательных величин, не всегда приводят к уменьшению эффективности метода деформации. В связи с этим для случая, когда можно задать погрешность формирования вспомогательных величин, получены условия, при выполнении которых эффективность метода деформации характеристики преобразования измерительного канала увеличивается. Учитывая полученные результаты, было скорректировано общий алгоритм использования метода. Для проверки полученных результатов была создана модель системы автоматизированного контроля. Для этого, в программном продукте LabView выполнено имитационное моделирование реального измерительного канала и канала с деформирующим устройством. Созданная модель учитывает соотношения между аддитивной и мультипликативной составляющей систематической погрешности, погрешность формирования вспомогательных величин. При моделировании для каждой из 51 комбинации систематической погрешности и погрешности формирования вспомогательной величины было проведено по 1280 процедур контроля. В результате подсчетов было определено, что после трех циклов деформации эффективность метода может достигать двадцати. Полученные результаты подтвердили правильность разработанных алгоритмов.

В соответствии с разработанным алгоритмом использования метода деформации характеристики преобразования измерительного канала, предложена практическая реализация деформирующего устройства на базе микропроцессорной системы РIC-контролер.

Ключевые слова: загрязнения атмосферы, достоверность контроля, информационно-измерительный канал, структурно-алгоритмические метод, микроконтроллер, газоанализатор, ложный и неопределенный отказ, аддитивная и мультипликативная составляющая систематической погрешности.

ABSTRACT

Cherneckiy E.V. Automated checking of parameters of incineration System in the a heat power settings. - Manuscript. Ph.D in Engineering thesis on speciality 05.13.05 - сomputer systems and components. - Donetsk National Technical University. - Donetsk, 2011.

Dissertation is devoted to the problem of extrass contaminents, reduction of atmosphere from a comburent equipment by increasing of authenticity of control maintenance of O₂ in smoke gases. Solving of the given task is executed by structural algorithmic method of deformation description of transformation of the measured channel. The analysis of industrial external of the automated checking systems environments is conducted and basic parameters which have an influence on authenticity of results are certain. Taking into account the influences of the objective function of the efficiency method of description deformation, transformation of measuring channel and maximum terms was certain for the choice of additive or multiplicative cycle of deformation. According to maximum terms the algorithm of the deformation method usage is formulated. After some analysis it was set that the errors which form auxiliary sizes, do not always come to diminish of efficiency of deformation method. Taking into account the results of using general algorithm method was adjusted. The automated checking system was created for verification of these results. As a result of design efficiency of the offered algorithms, the usage of deformation method was confirmed.

Keywords: contaminations of atmosphere, control authenticity, informative-measuring channel, structural-algorithmic method, microcontroller, gas analyzer, false and indefinite refuse, additive and multiplicative constituent of systematic error.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вплив паливно-енергетичного комплексу на довкілля має негативний характер. Це зумовлено тим, що спалювання органічного палива призводить до забруднення навколишнього середовища окислами азоту, сірки, золою, які потім поширюються на велику територію.

Очевидно, що проблема організації ефективної роботи спалювального устаткування і проблема екології тісно пов'язані між собою і вирішення однієї автоматично сприяє і вирішенню іншої проблеми. Оптимальний режим роботи спалювального устаткування в остаточному підсумку призводить до економії палива, зниження витрат електроенергії вентиляторами, підвищення ККД устаткування, а найголовніше - поліпшення екологічної обстановки.

Так як підтримка процесу спалювання палива в оптимальному режимі є основним моментом у зниженні викидів в атмосферу, то створення системи екологічного контролю (моніторингу) на підприємствах є актуальним завданням. Для оптимізації процесу горіння, наприклад, за максимальною енергетичною ефективністю, досить контролювати вміст у продуктах горіння кисню (О2), окису вуглецю (СО) і вуглекислого газу (СО2). Співвідношення цих компонентів дає інформацію не тільки про коефіцієнт корисної дії, але і про наявність технічних неполадок (підсмоктувань, негерметичності та ін.).

У зв'язку з цим важливо мати стаціонарну систему оперативного контролю і моніторингу складу викидів теплових установок. Але при цьому потрібно враховувати особливості промислових умов експлуатації обладнання, що характеризуються такими важливими аспектами - на інформаційно-вимірювальний канал (ІВК) діють промислові завади, які спричиняють виникнення додаткової випадкової та систематичної складової похибки та вплив хімічно агресивного навколишнього середовища. Похибки, що виникають при цьому, будуть змінюватися відповідно до того, на яких виробництвах буде проводитися контроль. Все це ускладнює завдання забезпечення заданої вірогідності контролю викидів від теплоенергетичного устаткування в промислових умовах. Тому необхідно адаптувати метрологічні характеристики ІВК-системи екологічного моніторингу до умов експлуатації або корегувати їх у реальних умовах.

Універсального способу підвищення точності та вірогідності не існує, а для вирішення цього завдання використовуються різноманітні методи, засоби та умови вимірювань. Застосування комплексного підходу підвищення вірогідності контролю дозволяє, при наявності базового набору елементарних засобів контролю, шляхом зміни взаємозв'язків між ними, а також алгоритму контролю утворювати гнучкі автоматизовані засоби, орієнтовані на цілий клас об'єктів, що характеризуються однаковою формою подання вихідних та/або вхідних величин, які відтворюють контрольовані параметри. При цьому не виключається можливість покращення характеристик елементарних засобів. Однак слід враховувати той факт, що витрати на створення більш точного засобу вимірювання можуть значно перевищити додаткові апаратні та програмні витрати, необхідні для досягнення тієї ж мети у складі системи, що містить обчислювальний пристрій. Таким чином, одним із шляхів зменшення забруднення атмосферного повітря при спалюванні в теплоенергетичному устаткуванні є підвищення вірогідності автоматизованого контролю в промислових умовах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в рамках державної бюджетної теми № 0106U003421 за темою „Розробка теоретичних основ і створення енергоресурсозберігаючих АСК ТП”, що виконується на кафедрі автоматизації виробничих процесів Державного вищого навчального закладу „Український державний хіміко-технологічний університет”. Автор брав участь у виконанні вказаної теми як виконавець. Дисертаційна робота виконувалася в рамках наступних природоохоронних програм:

· Закону України «Про загальнодержавну програму формування національної екологічної мережі України на 2000-2015 роки»;

· Постанови Кабінету Міністрів України від 26 квітня 2003 р. № 634 „Про затвердження комплексної програми реалізації на національному рівні рішень, прийнятих на Всесвітньому саміті зі сталого розвитку, на 2003-2015 роки”

· Постанови Кабінету Міністрів України від 5 грудня 2007 р. № 1376 „Про затвердження державної цільової екологічної програми проведення моніторингу навколишнього природного середовища”;

· рішення Дніпропетровської обласної ради четвертого скликання (двадцять четверта сесія) „Про програму охорони навколишнього природного середовища Дніпропетровської області на 2005-2015 роки”.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення вірогідності прийняття рішень за результатами вимірювального контролю вмісту О₂ в димових газах за рахунок корекції характеристики перетворення вимірювального каналу шляхом її деформації в промислових умовах.

Відповідно до мети роботи було поставлено наступні завдання:

1. Розглянути наявні засоби контролю викидів шкідливих речовин теплоенергетичним устаткуванням, оцінити вплив їх метрологічних характеристик на вірогідність контролю.

2. Проаналізувати методи підвищення вірогідності контролю з урахуванням можливості їх використання для систем автоматизованого контролю у промислових умовах.

3. Удосконалити метод деформації характеристики перетворення вимірювального каналу з урахуванням промислових умов експлуатації та похибки формування допоміжних величин.

4. Розробити алгоритмічне забезпечення методу деформації характеристики перетворення вимірювального каналу при використанні його у промислових умовах.

5. Оцінити ефективність методу деформації характеристики з адитивним та мультиплікативним циклами, визначити межі їх застосування.

6. Розробити структуру системи автоматизованого контролю, що дозволить підвищити вірогідність контролю в промислових умовах із застосуванням методу деформації характеристики перетворення вимірювального каналу.

Об'єкт дослідження: процес вимірювального контролю складу димових газів теплоенергетичного устаткування.

Предмет дослідження: методи та засоби автоматизованого контролю викидів забруднювальних речовин в промислових умовах.

Методи дослідження. При розробці математичної моделі ІВК та оцінюванні ефективності методу було застосовано методи математичного аналізу (функціональні ряди, диференційні числення), теорії ймовірності та математичної статистики. Усі числові характеристики було отримано з використанням числових методів моделювання з урахуванням теорії похибок. Адекватність отриманих даних перевірено методами фізичного експерименту та математичного моделювання з використанням теорії планування та обробки результатів експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Вперше проведено аналіз впливу співвідношення складових систематичної похибки, закону розподілу контрольованої величини та похибки формування допоміжних величин на ефективність методу деформації характеристики перетворення ІВК.

2. Вдосконалено метод деформації характеристики перетворення при експлуатації системи автоматизованого контролю в промислових умовах.

3. Отримано аналітичні залежності при деформації характеристики перетворення ВК з адитивним та мультиплікативним циклами, за якими визначено кількість ітерацій, при яких забезпечується задане значення ймовірності помилкових рішень з урахуванням похибки формування допоміжних величин, закону розподілу контрольованих величин, співвідношення між складовими систематичної похибки ІВК.

4. Уведено показники для оцінювання ефективності методу деформації характеристики перетворення ВК, встановлено умови застосування адитивного та мультиплікативного алгоритмів деформації в промислових умовах.

Практичне значення одержаних результатів. Удосконалений у роботі метод деформації характеристики ВК дозволяє на основі базової системи автоматизованого контролю підвищувати в промислових умовах вірогідність контролю параметрів спалювання в теплоенергетичному устаткуванні. При застосуванні методу в промисловій системі автоматизованого контролю отримано зниження кількості викидів на 1-2%, що підтверджено відповідними актами.

Результати даної дисертаційної роботи було використано:

- ТОВ „Надія” при розробці проектів реконструкції і модернізації різних теплових установок;

- НВП „Промекологія” при розробці заходів для зниження викидів в атмосферу;

- у навчальному процесі ДВНЗ УДХТУ за дисципліною „Основи метрології та вимірювальної техніки”.

Факти впровадження результатів дисертаційного дослідження підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові результати і висновки, викладені в дисертаційній роботі, отримано автором особисто. Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи було оприлюднено, обговорено та позитивно оцінено на наукових конференціях: ІІ Міжнародна наукова студентська конференція „Trans-Mech-Art-Chem” (Дніпропетровськ, 2004), Всеукраїнська науково-технічна конференція студентів та молодих вчених „Молода академія” (Дніпропетровськ, 2008), IV Міжнародна науково-технічна конференція студентів, аспірантів та молодих вчених „Хімія і сучасні технології” (Дніпропетровськ, 2009), Третя всеукраїнська науково-практична конференція молодих вчених і студентів „Інформаційні процеси і технології „Інформатика - 2010” (Севастополь, 2010).

Публікації. Основні положення та результати роботи викладено у восьми публікаціях, з яких - чотири статті в наукових виданнях, що входять до Переліку фахових видань, затвердженого ВАК України, та чотири доповіді на науково-технічних конференціях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і трьох додатків. Повний обсяг дисертації - 170 сторінок, в яких основний зміст викладено на 152 сторінках друкованого тексту, містить 31 рисунок та 10 таблиць. Список використаних джерел складається з 136 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі «Аналіз проблеми підвищення достовірності контролю режимів роботи спалювального устаткування і викидів забруднювальних речовин» показано, що найбільшим забруднювачем атмосфери є устаткування, у якому спалюють органічне паливо (нафта та продукти з нафти, кам'яне вугілля, природний газ, деревина та органічні матеріали). Також проаналізовано причини підвищеного об'єму викидів забруднювальних речовин від спалювального устаткування. При цьому було розглянуто механізм утворення забруднювальних речовин та встановлено залежності між складом димових газів та режимом спалювання палива. Проведений аналіз дозволив з'ясувати основні проблеми, які призводять до появи помилкових рішень при контролі вмісту О₂ в димових газах за промислових умов експлуатації. Доведено, що систематична складова похибки значною мірою впливає на вірогідність контролю ніж випадкова, якою за даних умов можна знехтувати.

Відповідно до визначених факторів, що призводять до мультиплікативної та адитивної складової похибки вимірювального каналу в промислових умовах, було сформульовано основні напрямки зменшення цих впливів:

1) конструкторські заходи (створення більш точних засобів вимірювання та екранування вимірювальних каналів);

2) математичні методи (базуються на визначенні математичної моделі завад та їх компенсування);

3) структурно-алгоритмічні (ґрунтуються на зміні структури вимірювального каналу та алгоритму обробки інформації).

За результатами проведеного аналізу встановлено, що на ймовірність прийняття помилкових рішень впливає не тільки співвідношення адитивної і мультиплікативної складових систематичної похибки вимірювального перетворення, але й їх знаки. Це обумовлює не тільки зміну ймовірності, а й характер (хибна чи невизначена відмова) цих помилкових рішень які виникають біля нижньої та верхньої границь контролю. При цьому необхідно враховувати не тільки умови експлуатації системи автоматизованого контролю (САК) але й метрологічні характеристики газоаналітичних приладів, що входять до складу САК. Аналіз характеристик аналітичних приладів, що застосовуються у промисловості, засвідчив, що всі характеристики розглянутих приладів тією чи іншою мірою змінюються під впливом зовнішніх факторів та часу експлуатації Причому передбачити ці зміни у часі неможливо. Аналіз методів підвищення вірогідності контролю засвідчив, що на сучасному етапі конструктивно-технологічні та запобіжні методи майже вичерпали свої можливості і не є досить дієвими. Для вирішення поставленого в роботі завдання найбільш перспективними є структурно-алгоритмічні методи. Розмаїття цих методів дозволяє обрати серед них той, що за даних умов експлуатації (промислових умов) буде найбільш ефективним. Застосування комплексного підходу для підвищення вірогідності контролю на основі структурно-алгоритмічних методів є перспективним напрямком, який розвивається та дозволяє вирішувати важливе завдання ? підвищити довіру до отриманих результатів.

У другому розділі «Аналіз методів підвищення достовірності контролю» проведено аналіз структурно-алгоритмічних методів на можливість їх використання у промислових умовах. Зокрема було визначено, що ця основна група методів спрямована на:

адекватне зміщення вставок;

деформацію характеристики вимірювального каналу.

При адекватному зміщенні сукупність прийомів та правил використання засобів контролю спрямовано на відновлення первинних співвідношень між значеннями контрольованої величини та граничними значеннями допускового інтервалу без впливу на модель контрольованої величини або характеристику вимірювального каналу. Застосування методу адекватного зміщення вставок без виділення величини, пропорційної до похибки перетворення, потребує формування двох значень допоміжної величини і практично виключає вплив похибки вимірювального каналу. Але він має обмеження, зумовлене можливим суттєвим зменшенням чутливості в межах граничних значень, а зрештою і зростаючим впливом випадкової складової похибки, обумовленої промисловими умовами експлуатації.

Адекватне зміщення є ефективним, коли характеристика перетворення має малу нелінійність, або нелінійність характеристики в межах граничних значень не призводить до втрати чутливості, коли випадкові величини починають суттєво впливати. Якщо ця умова не виконується, доводиться застосовувати сукупність прийомів, направлених на «наближення» реальної характеристики ІВК до номінальної характеристики.

Так як при контролі, на відміну від вимірювання, апаратурним шляхом вирішується нерівність, то похибка вимірювального каналу впливає на результат не в усьому діапазоні можливих значень, а тільки біля границь х_н та х_в. Цей вплив буде тим більшим, чим ближче контрольований параметр х до границь контролю і при цьому буде зростати ймовірність прийняття помилкових рішень. Аналіз структурно-алгоритмічних методів засвідчив, що для промислових умов найбільшою мірою підходить метод деформації характеристики перетворення вимірювального каналу, який уточнює модель характеристики перетворення в межах граничних значень. Апаратурне уточнення виду характеристики в межах х_н та х_в дозволяє зменшити вплив похибок, що є суттєвим для промислових умов.

Ознакою цієї групи методів є те, що в межах граничних значень виділяється величина, пропорційна до похибки перетворення, яка далі використовується для деформації характеристики перетворення ІВК. Для цього, використовуються дві допоміжні величини х₀₁ = х_В та х₀₂ = х_Н.

Деформація характеристики може здійснюватися шляхом її адитивного зміщення або за рахунок зміни кута нахилу, тобто мультиплікативного зміщення. Для реалізації першої операції в канал перетворення потрібно ввести пристрій додавання, один із входів якого підключається до керованого опорного джерела. Друга операція реалізується за допомогою керованого масштабного перетворювача, який уводиться в ІВК.

Алгоритм деформації характеристики здійснюється таким чином: величина, пропорційна до результату перетворення х₀₁ = х_В, використовується для зміни кута нахилу характеристики перетворення (зміна чутливості), а х₀₂ = х_Н ? для адитивного її переміщення. Таким чином, цикл деформації містить два етапи, які відповідно будемо називати мультиплікативним та адитивним. На рис.1 наведено геометричне представлення адитивного циклу деформації.

Рис. 1 Адитивний цикл деформації характеристики перетворення вимірювального каналу

При адитивному циклі на вхід вимірювального каналу спочатку подається допоміжна величина х₀₁=х_н. Різниця між реальним і номінальним результатами перетворення використовується для формування сигналу, який зміщує характеристику перетворення ІВК до тих пір, доки y(x₀₁)=y(x_н). На другому етапі на вхід ІВК подається допоміжна величина х₀₂=х_в. При цьому керувальний масштабний перетворювач змінює чутливість характеристики перетворення до тих пір, доки не буде виконуватися рівність y(x₀₂)=y(x_в).

Але у випадку промислових умов структурна реалізація розглянутого алгоритму має низку недоліків: на первинний вимірювальний перетворювач діють промислові завади; має місце велика довжина з'єднувальних ліній вимірювального каналу, що спричиняє додаткові складові похибки; складність розміщення безпосередньо біля первинного вимірювального перетворювача „деформувального” пристрою.

З проведеного аналізу промислових умов експлуатації встановлено, що найбільший вплив на ймовірність прийняття помилкових рішень має систематична складова похибки. Це зумовлено декількома факторами. По-перше, у промисловості широко застосовується силове електричне обладнання, що призводить до підвищеного електромагнітного фону, який впливає на довгі з'єднувальні лінії вимірювальних каналів і призводить до адитивної систематичної похибки. По-друге, у промислових умовах, вплив агресивного середовища, призводить до зміни діелектричних властивостей ізоляційних матеріалів, що в свою чергу призводить до зростання струмів вироку і зміни опору ізоляції з'єднувальних ліній і, як наслідок, до мультиплікативної складової систематичної похибки ВК.

Виходячи з цього, за результатами аналізу було запропоновано структурну реалізацію методу, представлену на рис.2.



Рис. 2 Структурна реалізація методу деформації характеристики перетворення вимірювального каналу

Відповідно до рис. 2, на технологічному об'єкті розташовано первинний вимірювальний перетворювач. Поруч з давачем знаходиться задавач допоміжних величин х₀₁, х₀₂ та комутатор, який, відповідно до сигналів керувального пристрою, може переключатися в одне з трьох положень. При першому положенні до вимірювального каналу приєднано давач, на другому та третьому - допоміжні величини х₀₁, х₀₂.

Далі сигнал по з'єднувальних лініях надходить в операторську, де встановлено вимірювальний перетворювач та деформувальний пристрій. Для адитивного зміщення характеристики перетворення вимірювального каналу передбачено джерело опорної напруги. Для мультиплікативного зміщення характеристики (зміни кута нахилу) передбачено масштабний перетворювач.

Для оцінювання запропонованої структурної реалізації методу було введено цільову функцію ефективності, яка дорівнює відношенню ймовірності прийняття помилкових рішень Р_пом у базовій САК до ймовірності помилкових рішень після введення деформації: Р^А - ймовірність помилкових рішень при адитивному циклі деформації та Р^М - при мультиплікативному циклі деформації. Відповідно до цього, ефективність методу будемо позначати J^А= Р_пом/ Р^А та J^М= Р_пом/ Р^М.

Цільова функція ефективності для адитивного циклу деформації:

 (1)

Цільова функція ефективності для мультиплікативного циклу:

(2)

де - Д та г, відповідно, адитивна та мультиплікативна складові систематичної похибки ВК;

и_н та и_в - інтервали еквівалентного зміщення нижньої та верхньої границі контролю, які враховують вплив складових похибки ІВК;

в = х_н/х_в - коефіцієнт, що враховує ширину довірчого інтервалу;

б = г/(1+г) - коефіцієнт, що враховує мультиплікативну складову систематичної похибки.

Відповідно до виду цільової функції було визначено, що ефективність залежить від співвідношення складових систематичної похибки. При цьому було розглянуто вплив:

- абсолютних значень адитивної та мультиплікативної складової похибки;

- знаків складових систематичної похибки;

- симетричності границь контролю відносно математичного сподівання;

- співвідношення ширини допускового інтервалу х_в-х_н до середньоквадратичного відхилення у (СКВ) та відношення значення параметра розподілу а до ширини допускового інтервалу х_в-х_н.

У третьому розділі «Аналіз ефективності методу деформації характеристики перетворення ВК» проведено дослідження впливу систематичної похибки на ефективність методу деформації характеристики перетворення. При цьому було розглянуто три закони розподілу випадкової величини: рівномірний, Гаусівський (нормальний) та арксинусоїдальний.

Було проведено аналіз цільової функції і встановлено, що вона має монотонний характер зміни від адитивної складової похибки та має екстремум при зміні мультиплікативної складової похибки, тобто мають нелінійний характер, а - лінійний характер. Причому як для адитивного, так і для мультиплікативного циклу деформації спостерігається однаковий вид нелінійності, наявність двох екстремумів - мінімуму та максимуму. Було розраховано точки мінімумів для різних циклів деформації. Отримані результати засвідчили, що цільова функція для адитивного та мультиплікативного циклів має зміщені відносно один одного точки мінімумів (при однакових значеннях адитивної складової похибки мінімуми спостерігаються при різних значеннях мультиплікативної похибки). Таким чином, було отримано вирази для визначення мінімуму цільової функції, що дає змогу визначити, який з видів деформації, виходячи з характеристики перетворення ІВК базової САК, буде мати мінімальну ефективність.

Було проведено порівняльний аналіз цільової функції, метою якого було встановлення, який з циклів деформації має більшу ефективність при певних значеннях складових систематичної похибки. Для цього було проведено числове моделювання, тобто отримано графічні залежності цільової функції (2.9) та (2.10). На рис. 3 зображено цільову функцію ефективності J1(г) - для мультиплікативного циклу деформації, J2(г) та J3(г) - відповідно перший та другий етапи адитивного циклу деформації.



Рис. 3 Цільові функції ефективності

Як видно з рис. 3, мультиплікативний цикл деформації є менш ефективним при малих значеннях г. Точками А та В позначено граничні співвідношення мультиплікативної та адитивної складової систематичної похибки, які впливають на вибір циклу деформації. Для визначення цих точок прирівняємо цільові функції для мультиплікативного та першого етапу адитивного циклу. Після обчислення значень координат точок А та В отримано правило вибору циклу деформації: якщо виконується нерівність , то необхідно виконувати адитивний цикл деформації, при невиконанні нерівності - мультиплікативний. При моделюванні декількох циклів деформації при різних співвідношеннях Д та г було визначено, що зміщення точок А і В не відбувається при збільшені кількості циклів деформації (рис. 4). На рис. 4 цільова функція ефективності J11, 12, 13(г) - для мультиплікативного циклу деформації, J21, 22, 23(г) та J31, 32, 33(г) - відповідно перший та другий етапи адитивного циклу деформації. Друга цифра в індексі позначає номер циклу деформації.

Для розробки прикладного алгоритму використання методу необхідно враховувати похибку формування допоміжних величин х₀₁ та х₀₂, так як сформувати ці величини без похибки неможливо. Відповідно проведено дослідження впливу похибки формування допоміжної величини Д₀ на ефективність методу деформації.

Рис. 4 Цільові функції ефективності для трьох циклів деформації

Для цього було визначено інтервали еквівалентного зміщення, де враховано похибку формування допоміжної величини:

· для мультиплікативного циклу деформації:

· для адитивного циклу деформації:

де і - номер етапу деформації; n - номер циклу деформації.

У результаті аналізу встановлено співвідношення, коли похибка формування допоміжних величин призводить до зменшення інтервалу еквівалентного зміщення. Відповідно було отримано цільову функцію. Для мультиплікативного циклу деформації ймовірність помилкових рішень (2) з урахуванням похибки формування допоміжної величини має вигляд:

а цільова функція:

Для адитивного циклу цільова функція матє вигляд:

Виходячи з отриманих залежностей визначено, що для мультиплікативного циклу деформації ефективність методу залежить не тільки від значення похибки формування допоміжної величини, але й від ширини допускового інтервалу. Цей вплив виражається через коефіцієнт . Для адитивного циклу ефективність методу напряму залежить від значення Д₀ та її знаку. У результаті проведеного моделювання було отримано графіки, представлені на рис. 5 та 6, які дають підстави стверджувати, що при наявності похибки формування допоміжної величини не завжди ймовірність прийняття помилкових рішень на наступному циклі деформації буде зменшуватися.

Рис. 5 Вплив Д₀ на ефективність мультиплікативного циклу деформації при нормальному розподілі

Точками А та В відзначено граничні значення Д₀, при яких недоцільно збільшувати кількість циклів деформації. Також встановлено важливу особливість впливу похибки формування допоміжної величини на ефективність адитивного циклу деформації. Тобто існує таке значення Д₀, при яких ефективність методу деформації характеристики перетворення збільшується.



Рис. 6 Вплив Д₀ на ефективність адитивного циклу деформації при нормальному розподілі

Цій ситуації відповідають значення похибки, що знаходяться в інтервалах [А; В] та [С; D] (рис. 6).

Отже, було визначено характер впливу похибки формування допоміжної величини на ефективність, у результаті чого було визначено алгоритм використання методу деформації характеристики перетворення ІВК. У загальному випадку цей алгоритм включає в себе декілька складових:

1) алгоритм визначення потрапляння в мінімуми цільової функції адитивного та мультиплікативного циклів деформації;

2) алгоритм визначення виду циклу деформації;

3) алгоритм розрахунку оптимального значення похибки формування допоміжної величини, якщо є можливість впливати на цю похибку;

4) алгоритм розрахунку граничної кількості циклів деформації.

У четвертому розділі «Оцінка ефективності і рекомендації для практичної реалізації методу деформації характеристики перетворення» викладено результати апробації розробленого алгоритму підвищення вірогідності системи автоматизованого контролю вмісту кисню в димових газах. Для перевірки ефективності методу деформації характеристики перетворення вимірювального каналу було використано порівняльне моделювання. Для цього в програмному продукті LabView було виконано імітаційне моделювання реального вимірювального каналу та каналу з деформувальним пристроєм.

Значення контрольованого параметру (концентрація кисню в димових газах) було представлено моделлю випадкової величини, розподіленої за нормальним законом розподілу із визначеним математичним сподіванням. Далі цю величину подано на вхід трьох різних каналів:

- перший канал реалізує функцію ідеального перетворення вимірювального каналу, значення величини на виході з цього каналу вважається істинним у(х)=х;

- другий канал реалізує функцію реального перетворення (враховуються систематичні складові похибки) у(х)=(х+Д)(1+г);

- третій канал реалізовує реальний канал з уведеним пристроєм деформації у(х)=(х+Д₁)(1+г₁).

Рис. 7 Структурна схема моделі для перевірки ефективності методу деформації

Схему структурної реалізації запропонованої моделі представлено на рис. 7. Оскільки на вхід каналів подається одне і те ж значення, то порівнюючи результати перетворення з встановленими границями контролю отримаємо відповідні рішення - придатний або не придатний. Потім відбувається порівняння рішень ідеального вимірювального каналу з двома іншими. Якщо рішення другого та третього вимірювальних каналів не співпадають з першим, то лічильник додає одиницю. Отже, для кожної з 51 комбінації систематичної похибки та похибки формування допоміжної величини було проведено моделювання по 1280 процедур контролю.

У результаті підрахунків було визначено, що після трьох циклів деформації ефективність методу може сягати двадцяти. Отримані результати підтвердили правильність розроблених алгоритмів.

Прикладом практичної реалізації методу в роботі є система автоматизованого контролю кисню в димових газах, побудована на основі термомагнітного газоаналізатора ГТМК-18, який складається з вимірювального перетворювача ПРП та первинного перетворювача ПП-16. Відповідно до технічних характеристик газоаналізатора, відстань між блоками повинна бути не більше ніж 300 м. Також у цьому газоаналізаторі є можливість подачі порівняльного газу для підвищення точності приладу, що складає ±6% для діапазонів (0-1), (0-2), (95-100), (98-100)%, та ±4% для інших діапазонів, що дозволяє реалізувати запропонований метод.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу, удосконалено систему екологічного контролю викидів шкідливих речовин в атмосферу на підприємствах, що дозволило знизити викиди на 2-3 %. Вказаний результат досягається за рахунок підвищення вірогідності контролю на основі структурно-алгоритмичного методу деформації характеристики перетворення вимірювального каналу. Розроблений алгоритм використання методу дозволив до 20 разів зменшити ймовірність прийняття помилкових рішень.

Основні наукові висновки та результати роботи полягають у наступному:

1. Запропоновано та обґрунтовано доцільність проведення корекції характеристики перетворення вимірювального каналу шляхом деформації характеристики блоків, що знаходяться до вимірювального перетворювача. Це дозволило зменшити вплив промислових умов експлуатації на ВК САК та підвищити вірогідність контролю.

2. Розраховано цільову функцію ефективності, де враховано параметри закону розподілу контрольованої величини, граничні значення допуску та точність формування допоміжних величин. Отримана функція є універсальною та підходить до більшості законів розподілу випадкових величин і не вимагає корекції при зміні моделі випадкових величин.

3. Визначено критерії вибору адитивного або мультиплікативного циклу деформації та загальної кількості циклів, що дозволяє, виходячи з співвідношення складових похибки вимірювального каналу, довжини допускового інтервалу, параметрів закону розподілу можливих значень контрольованої величини та точності формування допоміжних величин, вибирати необхідну кількість циклів деформації для забезпечення заданої вірогідності контролю.

4. У результаті моделювання встановлено, що при використанні методу деформації характеристики перетворення ВК при контролі, наприклад, концентрації кисню в димових газах, ймовірність помилкових рішень може бути зменшена, залежно від початкових умов, на порядок. При цьому враховувалося те, що допоміжні величини формуються з похибкою.

Відповідно до розробленого алгоритму використання методу деформації запропоновано практичну реалізацію деформувального пристрою на базі мікропроцесорної системи РІС-контролер.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чернецький Є.В. Підвищення вірогідності контролю за рахунок деформації характеристики перетворення вимірювального каналу / Є.Т. Володарський, Л.О. Кошева, Є.В. Чернецький // Вісник Хмельницького національного університету. Т. 1. Ч. 1. - 2005. - № 4. - С. 212 - 216.

2. Чернецький Є.В. Підвищення вірогідності контролю забруднювальних речовин в атмосферному середовищі / Є.Т. Володарський, Є.В. Чернецький // Інформаційні технології та комп'ютерна інженерія. - 2008. - № 1. - С. 32 - 36.

3. Чернецький Є.В. Аналіз ефективності методу деформації характеристики перетворення вимірювального каналу (якщо допоміжні величини формуються без похибки) / Є.В. Чернецький // Системні технології. - 2009. - № 4. - С. 107 - 116.

4. Чернецький Є.В. Метод зменшення викидів забруднювальних речовин в атмосферу за рахунок підвищення вірогідності контролю вмісту О₂ / Є.В. Чернецький, І.М. Черненко, О.П. Мисов // Вопросы химии и химической технологии. - 2010. - № 1. - С. 144 - 148.

5. Чернецький Є.В. Методи підвищення вірогідності контролю газоаналітичними приладами / Є.В. Чернецький, Н.С. Охрімчук //ІІ Міжнародна наукова студентська конференція «Trans-Mech-Art-Chem» : зб. тез. - Дніпропетровськ, 2004. - С. 39 - 41.

6. Чернецький Є.В. Підвищення вірогідності контролю забруднюючих речовин в атмосферному середовищі / Є.Т. Володарський, Є.В. Чернецький // Матеріали Всеукраїнської науково-технічної конференції студентів та молодих вчених «Молода академія». - Дніпропетровськ, 2008. - С. 47 - 48.

7. Чернецький Є.В. Про ефективність методу деформації характеристики перетворення ІВК при зменшенні викидів забруднюючих речовин / Є.В. Чернецький, Н.С. Петрова // Матеріали IV-nd International conference of chemistry and modern technology for students an post-graduate students. - Dnepropetrovsk, 2009. - С. 28.

8. Чернецький Є.В. Зменшення викидів в атмосферу від спалювальних установок шляхом підвищення вірогідності контролю О₂ в димових газах / Є.В. Чернецький, О.В. Лєщенко // Матеріали ІІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції молодих вчених і студентів. - Севастополь, 2010. - С. 246 - 249.

Особистий внесок здобувача у роботах, опублікованих у співавторстві: у [1, 7] - отримано аналітичні залежності, які характеризують вплив похибки формування допоміжної величини Д₀ на еквівалентні інтервали зміщення на мультиплікативному та адитивному циклах деформації при використанні методу деформації характеристики перетворення вимірювального каналу, проведено аналіз та встановлено вплив Д₀ на ефективність методу деформації характеристики перетворення ІВК; у [2] - проведено аналіз умов експлуатації систем контролю в промислових умовах та виявлено основні чинники, які знижують вірогідність контролю концентрації О₂ в димових газах, з урахуванням зазначених умов було проаналізовано методи підвищення вірогідності контролю та доведено доцільність використання структурно-алгоритмічного методу деформації характеристики перетворення; у [3] - отримано функції ефективності для оцінки ефективності методу деформації характеристики перетворення вимірювального каналу для мультиплікативного та адитивного циклів деформації, якщо допоміжні величини формуються без похибки, на основі аналізу співвідношення мультиплікативної та адитивної складової похибки сформульовано критерії вибору типу циклу деформації; [4, 8] - обґрунтовано доцільність використання методів підвищення вірогідності контролю вмісту О₂ в димових газах як дієвий захід для зниження викидів забруднювальних речовин в атмосферу; [5, 6] - проведено аналіз наявних газоаналітичних приладів та встановлено основні причини зменшення вірогідності отриманої інформації в процесі експлуатації, а також проаналізовано основні шляхи підвищення вірогідності інформації отриманої від газоаналітичних приладів.

Размещено на Allbest.ru

...