18
Диагностические подсистемы. Алгоритмы выявления предаварийных ситуаций.
Диагностика состояния объекта.
Для начала разберёмся с вопросом: «А что же подлежит диагностике?». Диагностике подлежат технические средства, программные системы, объекты управления и многое другое, но мы пока остановимся на этих трех аспектах. Технические средства могут обладать свойством самодиагностики. Например, при запуске системы, в ядре которой обязательно должна быть «зашита» системы самодиагностики, происходит проверка всех параметров системы, и если какой то важный параметр не соответствует норме, система оповещает об этом и прерывается.
В свою очередь, при рассмотрении объекта управления по данным текущих и вычисляемых параметров определяются его состояния. Нормальное – состояние, в котором объект работает нормально, выполняет все операции, переданные ему из управляющей системы. Аварийное – фактически не работающее состояние, т.е. состояние в котором ОУ не может эксплуатироваться. Но существует какое-то среднее состояние, между нормальным и аварийным, в котором бы объект работал, например, в режиме сильного износа или с ограничениями, не выполняя части каких-либо дополнительных функций. Такое состояние назовем предаварийным – их может быть несколько.
Рассмотрим следующую схему связи ОУ с вычислительной
системой, причем на объект управления поступает помимо вектора входных
сигналов, еще внешние воздействия 
, которое невозможно измерить, а тем более как-то
функционально представить.
Рис. 10.1
Из соображения безопасности на нижнем уровне управления обязательно должна быть система контроля аварийных ситуаций. Она будет состоять из Информационно-Управляющей-Вычислительной-Системы и совокупности противоаварийных средств (датчиков, исполнительных устройств), которыми она и управляет. Возможные алгоритмы аварийного управления были рассмотрены выше.
Подсистема аварийной защиты (АЗ), которая предназначена для предотвращения аварии на технологических комплексах, представляет из себя обычно управляющий сигнал, который включает/выключает основной поток вещества или энергии. Представим это на примере газовой магистрали, а точнее на элементе магистрали – отдельной газовой трубе. Есть два вентиля: Первый - имеет возможность регулировать поток газа, т.е. величину подачи газа в размере от 0%-100%; Второй - строго или открыт, или закрыт. Есть какое-то управляющее устройство, которое управляет первым вентилем, т.е. где-то на подстанции регулирует поток газа в той или иной трубе. Бесспорно, у второго вентиля есть тоже управляющее устройство, но срабатывает оно строго во время аварийной ситуации, например когда в газовой трубе критически маленькое давление газа, или когда дальнейшая подача газа приведет к какой-либо аварийной ситуации. Конечно, управляющее устройство взаимодействует с подстанцией, но программа управления совсем другая – ПОАЗ. Ниже можно увидеть графическое представление работы управляющего органа (первый вентиль) и аварийной защиты (второй вентиль), рис. 10.2 А и В соответственно.
График работы Управляющего Органа
Рис. 10.2
Что стоит усвоить из вышеприведённого примера, так это что для АЗ требуется использовать условие с характеристиками Да/Нет для управляющего устройства.
Теперь становится понятным, почему при рассмотрении аварийной защиты атомного реактора мы упомянули о логических функциях защиты, результатом которой является сигнал Да/Нет для управления потоком вещества или энергии. Получение таких законов управления легко осуществить, используя теория автоматов. Например, в БАЗ реактора имели 8 входов и одно управление – сброс стержней-замедлителей в активную зону. Конечно, в общем случае все сводится не только к true/false, но возможно и постепенное изменение управляющего сигнала (как в МАЗ реактора) даже в аварийных ситуациях, но менее критичных ко времени ликвидации аварий.
Перейдем к рассмотрению алгоритмов диагностики состояний объектов управления в самом общем виде.
Речь идет о среднем уровне управления,
когда допустимо определенное запаздывание в принятии решений и поэтому можно
использовать как можно больше параметров для оценки состояния объекта, как непосредственно
измеряемых 
, так и вычисляемых (например, показание качества,
технико-экономические критерии и др.) - 
. Будем, в общем случае считать, что мы располагаем вектором 
, по результатам обработки которого необходимо выделить ряд
дискретных состояний (нормальное, предаварийное, аварийное и т.д.)
объекта. Понятия («аварийное», «предаварийное») здесь являются условными, они в
общем случае могут относиться просто к любому другому устойчивому состоянию
объекта или системы в целом, отличному от наиболее желаемого («нормального»).
Поэтому, будем в дальнейшем говорить
просто о двух или нескольких состояниях: 1 – «норма»; 2 – «не норма» («авария»),
которые надо определить по вектору 
. Решение подобных задач обычно относят к т.н.
интеллектуальной диагностике (ИД), которая традиционно использует две группы
методов: статистические и логические, которые в свою очередь делятся на
многозначную и нечеткую логику. Рассмотренные выше системы аварийной
защиты (диагностика + управление) являются типичными логическими системами диагностики
и в общем случае используются достаточно часто. При этом эти логические системы
в большинстве случаев учитывают специфику объекта управления и для окончательного
принятия решения (состояние «1» или состояние «2») используют различные
эмпирические способы (особенно в отсутствии дополнительной априорной информации
либо при ее частичной неполноте), которые в большинстве случаев основаны на
опыте эксплуатации подобных объектов и систем. К подобным приёмам относят:
схемы построения причинно-следственных связей контролируемых величин;
разработка диагностических тестов и их использование в схеме окончательной
диагностики; выбор последовательности анализа измеряемых величин с целью
минимизации времени обнаружения причин нарушений; редукция пространства
измерений как непрерывных, так и дискретных (т.н. задача о минимальном покрытии)
и ряд других. Примеры подобных эмпирических способов см. в
[ ].
Аварийная защита
Ранее, на этапе предварительной обработки информации была
выделена одна из операций – контроль измеряемых параметров, который заключается
в том, что текущее значение 
сравнивается с
некоторым допустимым значением. При этом для формирования дальнейшего принятия
решений используются два вида сообщений (оба или один из них) и соответствующих
алгоритмов: нарушение допустимого уровня и/или нарушение знака отклонений от
заданного предела.
1. Алгоритмы контроля уровня (амплитудные алгоритмы)
с дальнейшим вычислением разностей
Все измерения
считаются
независимыми. Для начала необходимо задать минимальное или максимальное допустимое
отклонение каждого параметра от нормального (среднего) значения.
Если эти отклонения не превышают по модулю допустимого
значения 
и/или 
, то изменение параметров считается
допустимыми и не требуют немедленного (оперативного) управления. Заметим:
в общем случае 
и в зависимости от
физического смысла анализируются либо оба допустимых предела изменений
параметра, либо только одни из них.
В свою очередь, допустимые пороговые значения (
) могут быть заданными двумя способами:
1а) постоянство уровней и
траекторий движения системы: 
;
1б) изменение допустимых уровней во времени
; 
Такая ситуация имеет место в процессах пуска или останова агрегатов; набора высоты и снижения мобильного объекта по заданной траектории и т.д. Этот случай является более сложным, как по вычислительным, так и по аппаратным затратам, поэтому используется значительно реже, только для особо опасных объектов и режимов с существенной оговоркой -"возможен ручной режим".
2. Знаковый метод контроля.
Он очень близок к первому методу контроля (по уровню).
Отличие заключается в том, что при диагностике и выработке управляющих
воздействий на объект, учитываются в первую очередь знаки вычисляемых
отклонений текущих значений параметров 
от
предельных (), т.е. 
либо 
.
Как уровень, так и знак отклонения от предельных значений используются в системах аварийной блокировки (защиты). При этом используется сравнительно небольшое количество параметров объекта, которые необходимо жестко контролировать (либо по уровню, либо по знаку), чтобы избежать аварийной ситуации. Такое управление требует немедленных, оперативных действий и алгоритм включения/отключения необходимых управлений должен быть предельно простым, например
{если 
, то 
} или
{если 
, то }
При использовании нескольких сигналов i=1… m, правило аварийного управления записывают либо одновременно (логическое «и») для всех аварийных параметров (и соответственно аварийных управлений)
{<если 
и если 
… и если 
> то
<
; 
;…;
>}
либо при нарушении ограничений, хотя бы по одному из них (логический оператор ИЛИ). Именно так и работают многие системы аварийной защиты. Например, система автоматической аварийной защиты атомного реактора на АЭС, которая разделяется на логические блоки быстрой аварийной защиты (БАЗ) и медленной аварийной защиты (МАЗ), работает соответственно в двух режимах управления: по сигналу логического блока БАЗ стержни аварийной защиты быстро сбрасываются в активную зону, а по сигналу МАЗ – вводятся в активную зону с определенной скоростью. Сигнал БАЗ формируется при появлении одной из ситуаций: уменьшение времени удвоения мощности до 20с; уменьшение расхода теплоносителя более чем на 20% от заданного значения; отказах (двух каналов контроля отклонений мощности; двух из трех однотипных каналов контроля мощности и времени удвоения, двух из трех расходомеров суммарного расхода теплоносителя через реактор) в системе измерения; появления аварийного сигнала из систем технологического контроля. Сигнал МАЗ формируется при появлении одной из ситуаций: выходе из строя двух регуляторов (резервного и основного); превышение мощности более чем на 15% от заданного значения, уменьшение расхода теплоносителя на 15% установленного значения.
Таким образом, в общем случае аварийное
управление реализуется как некоторая (обычно логическая) функция от
малого числа (3
контролируемых по знаку либо по модулю параметров:
Здесь i,j,k – конечны и необязательно равны между собой, при соблюдении указанного ограничения на число параметров
.
3. Метод, использующий мажоритарное правило.
При увеличении числа параметров, скажем, когда их количество
приближается к 30, для упрощения Алгоритма противоаварийной защиты используется
МАЖОРИТАРНОЕ ПРАВИЛО. Заключается оно в том, что каждой комбинации управлений (
) присваивается следующее правило согласования:
Заметим, что неявно оно уже появилось в рассмотренном примере: отказы в измерительной системе БАЗ атомного реактора
