WEB-ресурс научно-практических конференций

Савдур С.Н.

Казанский государственный финансово-экономический институт, Российская Федерация

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ БЛОЧНЫМИ УСТАНОВКАМИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Вода является одним из основополагающих факторов жизни на Земле и управление водными ресурсами становится важнейшей составляющей взаимоотношений человека и природы. Проблема водопользования актуальна во многих аспектах: и в экологическом, и в технологическом и, в конечном счете, в экономическом. Очистка и глубокая очистка технологических стоков является необходимым и обязательным условием сохранения экологического равновесия окружающей среды.

Вместе с тем, существующие технологии кондиционирования воды недостаточно совершенны, не обеспечивают должного уровня очистки, поэтому требуют развития дальнейших исследований. Проблема требует разработки теоретических основ процессов кондиционирования воды, использования системного подхода и новейших компьютерных технологий, как для разработки новых методов водоподготовки, так и для создания проектирования высокоэффективных систем управления водопользованием.

Этим обусловлена актуальность работы.

Одним из перспективных направлений проектирования систем биоочистки является системный подход. Системный подход подразумевает последовательное расчленение системы на ряд подсистем до уровня необходимого для наших задач. Основным методом системного подхода является математическое моделирование. Спецификой систем биоочистки является совмещение периодических и непрерывных технологий, что позволяет отнести их в отдельный класс дискретно непрерывных систем. Существуют различные методы моделирования дискретно динамических систем: алгоритмические модели, теория конечных автоматов, сетевые модели и.т.п. Сравнительный анализ показал, что для исследования систем биоочистки целесообразно использовать математический аппарат теории сетей Петри.

Сеть Петри – это двудольный, размеченный, ориентированный мультиграф. Основой для построения модели любого аппарата является фрагмент сети Петри, представленный на рис.1а.

а) б)

Рис. 1. Детализация графа модели АПД в виде сети Петри

При необходимости детализации состояний аппарата позиция р1 может быть представлена графом, изображенном на рисунке 2б.

В позиции сети помещают метки, которые естественно интерпретировать как порции полупродукта в аппаратах. Срабатывание перехода t 1 моделирует загрузку порций в аппарат, переход t 2 соответствует обработке загруженной порции, переход t 3 моделирует выгрузку обработанной порции. При необходимости возможна дальнейшая детализация сетевой модели.

В силу условия неразрывности технологического цикла переход t 1 не должен сработать до срабатывания перехода t 3. Для реализации данной особенности введем позицию p 3 и дуги из p 3 в t 1 и из t 3 в p 3 (см. табл. 1).

Метка в позиции p ₃ реализует условие готовности аппарата к новому технологическому циклу.

Таким образом, построена модель аппарата периодического действия, обрабатывающего одну порцию полупродукта. Срабатывание переходов t 1, t 2, t 3 моделирует технологический цикл аппарата. Аппарат занят, если М ( p 3) = 0; аппарат готов начать технологический цикл, если М( p 3) = 1. По графическому описанию строятся матричное и аналитическое описания (см. табл. 1).

Таблица 1. Описание сети Петри

Графическое и аналитическое описания СП более наглядны для сетей большой размерности, а матричное описание удобно при программной реализации СП.

Авторами разработана модификация сети Петри, проблемно-ориентированная на исследование дискретно-непрерывных систем – ДН- сети.

ДН-сети - модификация сети Петри следующего вида С=< P , T , I , O , M , L , t 1, t 2>.

Здесь P={p1,...p n } - множество позиций, моделирующих элементы ГТМ биоочистки: аппараты, агрегаты (или их состояние), буферные емкости, датчики и т.д.

T={t ₁ ^{i 1} ,t ₂ ^{i 2} ,...,t _m ^il } - множество приоритетных переходов, моделирующих связи в ГТМ. Переходы в ДН-сети как правило моделируют агрегаты непрерывного действия и транспортный конвейер (систему нефтепроводов, трубопроводов, транспортеров и т.д.), связывающий элементы ГТМ. [ 1]

M=(M1, L)-вектор маркировки ДН-сети, элементы вектора задается константой или маркировкой некоторой позиции M1: Р?{0,1,2…} U M1(p).

Метки интерпретируются как дискретные потоки (энергетические, материальные или информационные).

L={c1,c2,...c k } - множество цветов меток маркировки ДН-сети. Цвет метки c j =(e1,e2,...e k ), e i ? Е={0,1}- вектор, компоненты которого характеризуют наличие одного из признаков или параметров у метки. «Результирующий» цвет метки в конечной позиции определяет вид потока.

Входная функция I и выходная функция O , определяют структуру ДН-сети, а значит, и структуру моделируемой ГТМ.

I=(I, Iа)- входная функция, где

I: PxT?{0,1,2 }UM1(p)- функция, определяющая кратность входных дуг,

Ia: PxT? E - функция раскраски входных дуг.

Аналогично определяется выходная функция O=(O, Oа).

t 1: T?N - время задержки в переходе и t 2: P?N – время задержки в позиции, интерпретируемые как время перемещения полупродукта в аппарат и как время обработки полупродукта в аппарате соответственно.

Динамика выполнения ДН-сети определяется движением меток, моделирующих движение дискретных потоков полупродуктов, и реализуется следующими правилами:

переход t является разрешенным, если во всех входных позициях перехода t, количество цветных меток не меньше чем кратность входных дуг I(t) соответствующей данному цвету раскраски Ic(t). При срабатывании перехода t маркировка М изменяется по следующим правилам: 1) из входных позиций удаляются метки, цвет cj =(e1,e2,...el) которых совпадает с раскраской входных дуг Iа(t) cl, количество их определяется кратностью дуг I(t); 2) в выходные позиции помещаются метки в количестве определяемом кратностью выходных дуг O(t), при этом операцией логического умножения векторов cj=(e1,e2,...el) и Oа(t) формируются результирующие цвета меток в выходных позициях перехода t; 3) интерпретация срабатывания перехода проста: в выходные аппараты, определяемые выходными позициями, помещаются полупродукты различных марок, задающиеся цветностью и кратностью выходных дуг.

При такой интерпретации ДН-сети выполнение её имитирует функционирование моделируемого ГТМ. [2]

Модель крупного производства может содержать несколько сотен позиций и переходов. Создание ее и отладка модели – чрезвычайно трудная задача. Авторами разработаны методика автоматизированного синтеза /МАС/ моделей производственных систем и инструментарий, существенно ускоряющий процесс моделирования ГТМ - система автоматизированного моделирования (САМ), позволяющая реализовать модель в виде ДН-сети в графическом интерфейсе. Результатом работы САМ являются графическое, аналитическое, а также компьютерно-ориентированное описание ДН-сети, удобное для последующего использования в программном обеспечении АСУ ГТМ.

Данная методика применялась на ряде объектов: СУ биоочистки нефтесодержащих технологических стоков и технологических стоков производства полимерного материала.

Выводы . В результате исследований:

· Показана эффективность использования математического аппарата сетей Петри при моделировании процесса биохимической очистки сточных вод производства полимерного продукта.

· Показана эффективность использования математического аппарата сетей Петри при моделировании процесса биохимической очистки нефтесодержащих сточных вод.

· Разработана математическая модель системы управления процессом биохимической очистки сточных вод, реализованное в виде сети Петри.

· На основе полученных данных в среде Trace Mode 5.10 разработан проект АСУТП комплекса биохимической очистки.

· Полученные результаты имеют общий характер и могут быть использованы применительно к аналогичным процессам очистки производственных стоков.

· Разработанный программный комплекс апробирован на примере технологического процесса, показав при этом свою эффективность.

Список литературы:

1. Кафаров В.В. Гибкие производственные автоматизированные системы химической промышленности // Журнал ВХО им. Д.И.Менделеева . - 1987 . - Т. 32, № 3. – С. 252–258.

2. Басыров И.Р. Расширение сетей Петри проблемно ориентированные на моделирование многоассортиментных производственных систем // Ученые записки - Казань: КГФЭИ, 2001 . - № 16. – С. 177–182.