Суть интеллектуального алгоритма сигнализации

Основная задача современной технологической сигнализации не просто фиксировать нарушения технологических границ, а выявлять тенденции и предупреждать нарушения. Реализация функции прогноза переводит простой блок сигнализации в интеллектуальный [41; 42]. Для прогноза должны быть разработаны модели ОУ. Конечно, надёжнее иметь модели, базирующиеся на физико-химических законах протекания процесса. Автоматчики, в основном используют модели в виде передаточных функций. Необходима реализация режима изменения масштаба времени, т.е. прогноз должен происходить в ускоренном масштабе времени. К масштабированию времени прибегали уже в 60-е годы прошлого столетия при моделировании процессов на аналоговых машинах [2; 14; 16; 55]. Этот приём можно использовать на современных микропроцессорных контроллерах. Однако, реализация моделей в укоренном масштабе времени и выдача предупреждений в реальном масштабе времени потребует от разработчика не шаблонных решений.

Надёжность прогноза не возможна без моделей ОУ. При их создании потребуются знания математики (в первую очередь численных методов, математической статистики) и ТАУ. В данном параграфе лишь обращается внимание на необходимость реализации функции прогноза в системах сигнализации, и даются рекомендации общего характера.

Перечислим основные функции, которые должен реализовать интеллектуальный алгоритм сигнализации.

Осуществлять прогноз вероятного нарушения. Рассчитывать среднюю скорость изменения параметра. Оценивать вероятное время нарушения (т.е. через которое возможно будет нарушена граница.). Сравнивать вероятное время нарушения со временем реакции оператора и временем реакции системы. Формировать предупреждающую сигнализацию, если вероятное время нарушения становится меньше или равным временем реакции оператора.

Распознавание отказа входного информационного канала. В распознавании используются правильный расчёт среднего значения, среднеквадратического отклонения, интервальная оценка коэффициентов корреляции между взаимосвязанными параметрами, учёт динамических характеристик измерительного канала и объекта управления по данному каналу.

Распознавание обрыва или выброса во входном канале. Формирование признака отказа канала с фиксированием верного последнего значения сигнала перед обрывом. Сообщение оператору об отказе канала. Обрыв можно рассматривать как частный случай отказа канала.

Автоматический выбор исправного канала. Если одна и та же физическая величина измеряется несколькими датчиками, возникает задача выбора исправного измерительного канала. В таком случае можно использовать блок мажоритарного выбора.

Режим совет оператору. Совет должен быть чётким, конкретным для данной ситуации. Система производит логико-вероятностный анализ ситуаций, указывается вероятная причина ожидаемого нарушения и выдаются рекомендации: что и как сделать, чтобы избежать нарушения (аварии).

Активный режим предупреждения аварии. Если оператор не смог устранить тенденцию приближения значения параметра к границе, то в системе закладывается логика, вызывающая активные действия системы по недопущению нарушения режима. Если вероятное время нарушения становится равным или меньше времени реакции системы, то система начинает работать в режиме противоаварийной защиты, только упреждаючи. В этом режиме действия оператора, если они вредят (некорректны), блокируются.

Введённые понятия время реакции оператора (Тро) и время реакции системы (Трс), связаны с реализацией функции прогноза. Тро – это время необходимое оператору для фиксирования нарушения, анализа причины, выработку плана действий и реализации операций, необходимых для устранения причины нарушения. Трс – время реакции системы. Это то минимальное время, за которое система без вмешательства человека принимает решение и может устранить вероятную причину или перейти в режим противоаварийной защиты. Действия человека в оставшееся время могут вредить. Поэтому система может блокировать действия человека, особенно если они усугубляют ситуацию.

Поясним введённые понятия на графике, приведённым на рисунке 37. Допустим, контролируется температура в реакторе. ∆Т – величина гистерезиса. Допустим, в момент времени t1 стала тенденция к росту температуры в реакторе. Если такая тенденция сохранится, то в момент времени t5 произойдёт нарушение верхней технологической границы и предотвратить нарушение технологического режима будет практически невозможно.

Рисунок 37 График прогноза

Поэтому предлагается постоянно определять среднюю скорость V изменения параметра, в данном случае роста температуры. Контролируя в режиме реального времени расстояние до границы и скорость роста параметра, определяем время вероятного нарушения границы. В предлагаемом алгоритме (программе) оценивается оставшееся время до нарушения со временем реакции оператора Тро. Если оставшееся время становится равным или меньше Тро, то формируем предупредительную сигнализацию. На чертеже этот момент времени соответствует t3. При этом световая и звуковая предупредительная сигнализация должна отличаться от сигнализации нарушения регламентной границы. Например, звук аукает, т.е. то появится, то пропадёт. Свет мигает, но с меньшей частотой, чем при нарушении границы. При приближении к границе частота звука и света увеличивается. Оператор обращает внимание и принимает меры по устранению вероятной причины. Прогноз изменения параметра можно осуществлять, используя упредители, например, упредитель Смита [10]. Иногда упредитель называют предикатором. Модель прогноза не обязательно должна быть линейной. Это может быть апериодическое звено первого порядка или второго порядка как с запаздыванием, так и без. По модели идёт прогноз в ускоренном масштабе времени. Имея критерий перевода от машинного времени в реальный масштаб времени, будем формировать упреждающую сигнализацию. Что касается временного масштабирования, то методику масштабирования можно творчески позаимствовать в книгах по работе на аналоговых машинах [55].

Допустим, что оператор, устраняет другую аварийную ситуацию и не успевает устранить причину, ведущую к росту температуры. Температура продолжает расти. В таком случае система, с нашей точки зрения, не должна занимать роль пассивного наблюдателя! Если оставшееся время равно или становится меньше Трс, то система переходит в активный режим: выдаются управляющие воздействия, срабатывают отсекающие клапана и т.д.[41; 42]. Конечно, все свои действия система так же фиксирует в журнале действий системы. Обратите внимание, моменты времени t3, t4 и t5 определяются в режиме реального времени самой программой. На рисунке 37 жирными стрелками показывается, что эти моменты времени могут наступить или раньше или позже в зависимости от скорости изменения параметра.

В некоторых системах есть предупредительные границы. Например, ВГ=80%, а предупредительная пусть будет 75%. Это конечно чуть лучше, чем просто сравнивать с граничным значением. Но скорость изменения параметра может быть разная, поэтому оператор будет получать предупреждение за разное время до нарушения. Если скорость изменения параметра большая, то вероятность нарушения ВГ в данном случае велика. Если предупредительную границу ещё опустить, то мы увеличиваем вероятность ложного срабатывания, так как уменьшаем рабочий интервал изменения параметра. В предлагаемом алгоритме мы границу не трогаем, а оцениваем только время до вероятного нарушения. В предлагаемом алгоритме, после срабатывания предупредительной сигнализации, у оператора остаётся достаточно времени на ликвидацию причины нарушения. На рисунке 37 указаны три сценария развития события: I – нормальный (обычный, наиболее вероятный), II – оптимистический; III – пессимистический, наихудший. Анализ разработанных алгоритмов сигнализации показал, что предпочтительнее реализовывать прогноз вероятного нарушения по основным каналам. По каждому входному каналу следует устанавливать блок проверки на достоверность входной информации. Предупреждающая сигнализация должна отличаться от сигнализации при нарушении технологической (регламентной) границы. Например, включилась предупреждающая сигнализация по первому каналу: свет мигает и звук «мигает»-квакает. Свет мигает не так часто. С приближением к границе частота увеличивается. Допустим, мультивибратор начинает с периода одна секунда: 0.5с – сигнал и 0.5с – пауза. С таким же периодом появляется и пропадает звук. Чем ближе значение параметра к границе, тем чаще начинает мигать свет и появляться звук. При нарушении границы свет начинает мигать с периодом 0.4с, т.е. 0.2с –свет, 0.2с – пауза (нет света), а звук превращается в ровный гудок. А если вероятность нарушения грозит по нескольким каналам, то алгоритм будет несколько другим (должен быть сигнал, сообщение — чтобы можно было понять, по какому каналу идёт предупреждение), но суть останется без изменения. Предупреждающую сигнализацию следует делать только по основным каналам.

Отказы и сбои системы автоматического контроля должны выдаваться отдельно и не влиять на технологическую сигнализацию. Настройки алгоритма сигнализации должны производиться поканально, т.е. для каждого аналогового канала определяется заранее или автоматически в режиме реального времени следующие величины: величина гистерезиса, время реакции оператора, время реакции системы, допустимая скорость изменения параметра.