Таблица 3.4.

Сигнатуры рассогласований при различных отказах

Отказы	fs1	fs3	fc1	fc2	fa
r1	1	1	1	1	1
r2	1	1	1	1	1
r3	0	1	0	0	1
rs1	0	1	1	1	1
rs3	1	0	1	1	1
ra	0	1	0	0	1

Из таблицы видно, что по сформированным рассогласованиям можно изолировать отказы исполнительного механизма, датчика уровня h₂, датчика положения задвижки и отказы системы.

Однако реакция рассогласований на отказы объекта управления (утечка в баке и отказ задвижки) одинакова. С помощью полученных рассогласований изолировать эти отказы невозможно и для выполнения этой задачи необходимо использовать другую методику.

Изоляция отказов объекта управления

В соответствии с пунктом 2.5 для решения поставленной задачи будем использовать нейронную сеть.

Выберем двухслойную нейронную сеть с прямыми связями. Сеть будет иметь 3 входа(рассогласования r₁, r₂, r₃) и 2 выхода. Функции активации нейронов сети установим логарифмическими сигмоидальными. Для обучения используем алгоритм с обратным распространением ошибки Левенберга-Маккварта.

Эта нейронная сеть будет классифицировать образцы рассогласований r₁, r₂, r₃ в соответствии с типом отказа (утечка в баке или отказ задвижки).

Для обучения сети проводится ряд экспериментов: на модели имитаторе системы устанавливаются различные значения величин отказов ?_c1 и ?_c2 в диапазоне их изменения, получаемые при этом установившиеся значения рассогласований r₁, r₂, r₃ запоминаются и затем используются в качестве образцов для обучения сети. Кроме того, обучение сети так же проводится на образцах, соответствующих безотказному режиму работы системы.

Построенная сеть имеет два выходных сигнала. Устанавливается, что выходные значения этих сигналов могут изменяться в пределах от 0 до 1. Значение близкое к «0» соответствует отсутствию отказа, значение «1» - отказу. Если на обоих выходах сети устанавливается значение близкое к нулю, то объект управления работает в безотказном режиме. При обучении сети использовалась таблица 3.5.

Таблица 3.5.

Обучение сети

Отказы	выход 1	выход 2
утечка в баке 1, fc1	1	0
отказ задвижки, fc2	0	1

На рисунке 3.23 представлены выходы нейронной сети при отказе в баке 1, рисунок 3.24 соответствует отказу задвижки.



Рис. 3.23. Выходы нейронной сети при утечке в баке (внезапный отказ)

Рис. 3.24. Выходы нейронной сети при отказе задвижки (внезапный отказ)

Таким образом, нейронная сеть позволяет изолировать внезапные отказы. При этом задержки при выявлении почти не наблюдается. Реакции сети на зарождающиеся отказы объекта управления (3.23) и (3.25) изображены на рисунках 3.25, 3.26.



Рис. 3.25. Выходы нейронной сети при утечке в баке (зарождающийся отказ)

Рис. 3.26. Выходы нейронной сети при утечке в баке (зарождающийся отказ)

Как видно из рисунков изоляция зарождающихся отказов с помощью нейронной сети выполняется со значительной задержкой. Это связано с тем, что обучение сети выполнялось на установившихся значениях рассогласований при различных величинах отказов

3.4. Диагностика отказов с помощью наблюдателей при неизвестном входе

Использование данных наблюдателей позволяет сформировать сигналы рассогласования устойчивые к неопределенностям системы. В данном случае в качестве таких неопределенностей будем рассматривать ошибки линеаризации и внешнее возмущение Q₁(t). Система (3.26) с этими неопределенностями будет иметь вид:

(3.75)

В соответствии с пунктом 4.1.12 все неизвестные входные составляющие представим в виде неизвестного входного вектора:

. (3.76)

Матрицу неизвестного входа Е будем считать известной и равной:

.

Для выполнения диагностики с помощью наблюдателей при неизвестном входе будем использовать следующее описание системы с отказами:

(3.77)

где матрицы А, В, С, R₁ и R₂ определены при описании системы с отказами (3.26).

3.4.1. Выявление отказов

Для выявления всех рассматриваемых отказов достаточно построить один наблюдатель при неизвестном входе (рисунок 3.26). Проектирование этого наблюдателя выполнено помощью алгоритма, описанного в 2.3.9. На основе этого наблюдателя получим следующий формирователь рассогласования:

 (3.78)

Реакции данного вектора на все рассматриваемые отказы представлены на рисунках (3.27)-(3.29). На этих рисунках введены следующие обозначения:

1 - отказ исполнительного механизма;

2 - утечка в баке;

3 - отказ задвижки;

4 - отказ датчика уровня h₂;

5 - отказ датчика положения.

Из рисунков видно, что каждый из отказов вызывает

Рис. 3.26. Выявление отказов с помощью наблюдателя при неизвестном входе



Рис. 3.27. Реакция рассогласования r₁(t) на отказы

Рис. 3.28. Реакция рассогласования r₂(t) на отказы

Рис. 3.29. Реакция рассогласования r₃(t) на отказы

3.4.2. Изоляция отказов

Изоляция отказов датчиков

Изоляцию отказов датчиков будем выполнять с помощью формирования группы рассогласований Франка (2.4.2). Для этого в соответствии с процедурой проектирования (2.4.1) построим два наблюдателя:

- наблюдатель нечувствительный к отказу датчика положения задвижки (3.);

- наблюдатель нечувствительный к отказу датчика уровня (3. +1).

(3.79)

(3.80)

Каждый из формирователей рассогласования формирует вектора рассогласования r_s1(t)=[ r_s11(t); r_s12(t)] и r_s3(t)=[ r_s31(t); r_s32(t)]. Для выполнения изоляции отказов достаточно использовать по одному из элементов данных векторов. Выберем в качестве рассогласований:

r_s1(t)_-=r_s12(t)=y₁(t)- . (3.81)

r_s3(t)_-=r_s31(t)=y₂(t)- . (3.82)

Схема изоляции отказов датчиков изображена на рисунке 3.30.



Рис. 3.30. Схема изоляции отказов датчиков

Изоляция отказов объекта управления и исполнительного механизма

Изоляцию отказов объекта управления и исполнительного механизма будем выполнять с помощью нейронной сети.

Выберем двухслойную нейронную сеть с прямыми связями. Сеть будет иметь 3 входа(рассогласования r₁, r₂, r₃, формирователь (3.89)) и 3 выхода, соответствующие трем отказам. Функции активации нейронов сети установим логарифмическими сигмоидальными. Для обучения используем алгоритм с обратным распространением ошибки Левенберга-Маккварта.

Эта нейронная сеть будет классифицировать образцы рассогласований r₁, r₂, r₃ в соответствии с типом отказа (утечка в баке, отказ задвижки или отказ исполнительного механизма).

Для обучения сети проводится ряд экспериментов: на модели имитаторе системы устанавливаются различные значения величин отказов ?_О1, ?_О2, и ?_ИМ в диапазоне их изменения, получаемые при этом установившиеся значения рассогласований r₁, r₂, r₃ запоминаются и затем используются в качестве образцов для обучения сети. Кроме того, обучение сети так же проводится на образцах, соответствующих безотказному режиму работы системы.

Построенная сеть имеет три выходных сигнала. Устанавливается, что выходные значения этих сигналов могут изменяться в пределах от 0 до 1. Значение близкое к «0» соответствует отсутствию отказа, значение «1» - отказу. Если на обоих выходах сети устанавливается значение близкое к нулю, то объект управления работает в безотказном режиме. При обучении сети использовалась таблица 3.6.

Таблица 3.6.

Обучение сети

Отказы	выход 1	выход 2	выход 3
утечка в баке 1, fc1	1	0	0
отказ задвижки, fc2	0	1	1
отказ исполнительного механизма	0	0	1

На рисунках 3.30 - 3.35 представлены выходы нейронной сети при рассматриваемых отказах.

Рис. 3.30. Реакция выходов сети на утечку в баке



Рис.3.31. Реакция выходов сети на отказ задвижки

Рис. 3.32. Реакция выходов сети на отказ исполнительного механизма

Рис. 3.33. Реакция выходов сети на отказ утечку в баке (зарождающийся отказ)

Рис. 3.34. Реакция выходов сети на отказ задвижки (зарождающийся отказ)

3.5. Основные выводы и результаты

В результате работы был разработан алгоритм диагностики отказов элементов системы управления, основный на использовании математических моделей.

Была разработана методика диагностики отказов с использованием наблюдателей состояния и наблюдателей при неизвестном входе.

Данная методика позволяет:

- выявлять отказы всех элементов системы;

- выявлять как внезапные, так и зарождающиеся отказы с минимальной задержкой выявления;

- изолировать отказы датчиков и исполнительных механизмов путем построения схем изоляции Франка или Кларка.

Наблюдатели неизвестного входа позволяют создать надежные алгоритмы диагностики отказов. Такие алгоритмы позволяют создать систему диагностики отказов чувствительную только отказам, при наличии отличия модели от реальной системы управления. Данный метод позволяет минимизировать возможность возникновения ложных сигналов отказов. Однако создание такой системы диагностики является достаточно сложной задачей, так как воздействие на систему моделируемых неопределенностей (возмущения и ошибки моделирования) не известно. Проектирование схем диагностики с помощью наблюдателей при неизвестном входе возможно в случае, если моделируемые неопределенности могут быть представлены как неизвестный вход системы с известной матрицей распределения.

Метод диагностики, основанный на использовании наблюдателей позволяет выполнить диагностику отказов датчиков и исполнительных механизмов. Задача изоляции отказов объекта управления в этом методе не рассматривается. Для решения этой задачи было предложено использовать классификационные нейронные сети.

Для исследования методики диагностики, в качестве тестового примера, была рассмотрена система регулирования уровня жидкости в баке, являющаяся упрощенным вариантом типового объекта автоматизации радиохимических производств - смесителя-отстойника.

В целях исследования была создана модель системы регулирования, содержащая модели отказов элементов системы регулирования.

Было предложено два варианта решения задачи диагностики. Первый основан на принципе формирования рассогласований с помощью наблюдателей состояния, второй на наблюдателях при неизвестном входе. Было выполнено проектирование системы диагностики и имитационное моделирование.

Метод диагностики с помощью наблюдателей состояния отличается простой процедурой проектирования и легким для использования алгоритмом, что является его неоспоримым преимуществом.

Метод диагностики с помощью наблюдателей при неизвестном входе, хотя и обладает легким для использования алгоритмом диагностики, отличается не - простой процедурой проектирования.

Метод, основанный на использовании наблюдателей позволяет выявлять и изолировать отказы датчиков и исполнительных механизмов с минимальной задержкой; выявление внезапных отказов осуществляется так же быстро, как и зарождающихся.

Изоляция отказов объекта управления может быть выполнена с помощью нейронной сети. Сеть классифицирует образцы рассогласований для различных отказов, тем самым позволяя изолировать отказы. Данный метод выявляет как внезапные, так и зарождающиеся отказы. Однако выявление последних происходит со значительной задержкой.

4. Безопасность жизнедеятельности

В данной дипломной работе осуществляется исследование алгоритмов управления и методов диагностики отказов элементов АСУТП. Данная работа носит научно-исследовательский характер и, следовательно, в данном разделе будет выполнен анализ опасных и вредных производственных факторов, воздействию которых может подвергаться исследователь, и описаны мероприятия, снижающих их воздействие на человека и окружающую среду.

4.1. Анализ опасных и вредных производственных факторов

При работе с ПЭВМ на человека оказывают воздействие следующие опасные и вредные производственные факторы (ОВПФ) (ГОСТ 12.0.003-80):

1. ОВПФ физической группы:

­ повышенный уровень шума на рабочем месте;

­ повышена или пониженная температура окружающей среды;

­ статическое электричество;

­ электромагнитное излучение;

­ недостаточная освещенность рабочей зоны.

2. ОВПФ психофизиологической группы:

­ физические перегрузки (статические);

­ нервно-психические перегрузки: (умственное перенапряжение; перенапряжение анализаторов; монотонность труда; эмоциональные перегрузки),

Источником шума в офисных помещениях часто являются механические устройства ЭВМ. Человек, работая при шуме, привыкает к нему, но продолжительное действие сильного шума вызывает общее утомление, может привести к ухудшению слуха, а иногда и к глухоте. Эти вредные последствия проявляются тем больше, чем сильнее шум и продолжительнее его воздействие.

Повышенная температура окружающего воздуха обусловлена нагревом вычислительной техники, другими долго работающими устройствами, что создает дискомфортную среду, вызывает нервное раздражение человека.

Основной причиной плохой освещенности рабочего места является недостаточное количество осветительных приборов, неправильная их ориентация и расположение.

Устройства визуального отображения информации (экраны дисплеев ПЭВМ, ВДТ) выделяют рентгеновское, радиочастотное, видимое, ультрафиолетовое излучения, величина которых ниже безопасного уровня, но они являются вредными и опасными видами излучения для профессиональных программистов, операторов ПЭВМ.

Нервные перегрузки и быстрое утомление возникают из-за монотонного труда оператора, длительного сохранения статического напряжения мышц спины, рук, ног.

4.2. Мероприятия по производственной санитарии

Мероприятия по производственной санитарии направлены на предотвращение неблагоприятного влияния на здоровье человека вредных факторов производственной среды и трудового процесса при работе с ПЭВМ.

4.2.1. Требования к ПЭВМ

ПЭВМ должны соответствовать требованиям, содержащихся в СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. В соответствии с этим нормативным документом:

­ допустимые уровни звукового давления и уровней звука, создаваемых ПЭВМ, не должны превышать значений, представленных в таблице 4.1;

­ временные допустимые уровни электромагнитных полей (ЭМП), создаваемых ПЭВМ, не должны превышать значений, представленных в таблице 4.2;

­ допустимые визуальные параметры устройств отображения информации представлены в таблице 4.3. Для дисплеев на ЭЛТ частота обновления изображения должна быть не менее 75 Гц при всех режимах разрешения экрана, гарантируемых нормативной документацией на конкретный тип дисплея, и не менее 60 Гц для дисплеев на плоских дискретных экранах (жидкокристаллических, плазменных и т.п.);

­ концентрации вредных веществ, выделяемых ПЭВМ в воздух помещений, не должны превышать предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных для атмосферного воздуха;

­ мощность экспозиционной дозы мягкого рентгеновского излучения в любой точке на расстоянии 0,05 м от экрана и корпуса ВДТ (на электронно-лучевой трубке) при любых положениях регулировочных устройств не должна превышать 1 мкЗв/час (100 мкР/час);

­ конструкция ПЭВМ должна обеспечивать возможность поворота корпуса в горизонтальной и вертикальной плоскости с фиксацией в заданном положении для обеспечения фронтального наблюдения экрана ВДТ; дизайн ПЭВМ должен предусматривать окраску корпуса в спокойные мягкие тона с диффузным рассеиванием света; корпус ПЭВМ, клавиатура и другие блоки и устройства ПЭВМ должны иметь матовую поверхность с коэффициентом отражения 0,4-0,6 и не иметь блестящих деталей, способных создавать блики;

­ конструкция ВДТ должна предусматривать регулирование яркости и контрастности;

­ документация на проектирование, изготовление и эксплуатацию ПЭВМ не должна противоречить требованиям СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.

Таблица 4.1.

Допустимые значения уровней звукового давления в октавных полосах частот и уровня звука, создаваемого ПЭВМ

Уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами	Уровни звука в
31,5 Гц	63 Гц	125 Гц	250 Гц	500 Гц	1000 Гц	2000 Гц	4000 Гц	8000 Гц	дБА
86 дБ	71 дБ	61 ДБ	54 дБ	49 дБ	45 дБ	42 дБ	40 дБ	38 дБ	50

Таблица 4.2.

Временные допустимые уровни ЭМП, создаваемых ПЭВМ

Наименование параметров	ВДУ ЭМП
напряженность	в диапазоне частот 5 Гц-2 кГц	25 В/м
электрического поля	в диапазоне частот 2 кГц-400 кГц	2,5 В/м
плотность магнитного	в диапазоне частот 5 Гц-2 кГц	250 нТл
потока	в диапазоне частот 2 кГц-400 кГц	25 нТл
электростатический потенциал экрана видеомонитора	500 В

Таблица 4.3.

Допустимые визуальные параметры устройств отображения информации

N	Параметры	Допустимые значения
1	яркость белого поля	Не менее 35 кд/м
2	неравномерность яркости рабочего поля	Не более ± 20%
3	контрастность (для монохромного режима)	Не менее 3:1
4	временная нестабильность изображения (непреднамеренное изменение во времени яркости изображения на экране дисплея)	Не должна фиксироваться
5	пространственная нестабильность изображения (непреднамеренные изменения положения фрагментов изображения на экране)	Не более 2·10, где L - проектное расстояние наблюдения, мм

4.2.2. Требования к помещениям для работы с ПЭВМ

В соответствии с СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 помещения для работы с ПЭВМ должны удовлетворять ряду требований, перечисленных ниже.

Помещения для эксплуатации ПЭВМ должны иметь естественное и искусственное освещение. Эксплуатация ПЭВМ в помещениях без естественного освещения допускается только при соответствующем обосновании и наличии положительного санитарно-эпидемиологического заключения, выданного в установленном порядке.

Оконные проемы должны быть оборудованы регулируемыми устройствами типа: жалюзи, занавесей, внешних козырьков и др.

Площадь на одно рабочее место пользователей ПЭВМ с ВДТ на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) должна составлять не менее 6 м, в помещениях культурно-развлекательных учреждений и с ВДТ на базе плоских дискретных экранов (жидкокристаллические, плазменные) - 4,5 м.

При использовании ПВЭМ с ВДТ на базе ЭЛТ (без вспомогательных устройств - принтер, сканер и др.), отвечающих требованиям международных стандартов безопасности компьютеров, с продолжительностью работы менее 4 часов в день допускается минимальная площадь 4,5 м на одно рабочее место пользователя.

Для внутренней отделки интерьера помещений, где расположены ПЭВМ, должны использоваться диффузно отражающие материалы с коэффициентом отражения для потолка - 0,7-0,8; для стен - 0,5-0,6; для пола - 0,3-0,5.

Полимерные материалы используются для внутренней отделки интерьера помещений с ПЭВМ при наличии санитарно-эпидемиологического заключения.

Помещения, где размещаются рабочие места с ПЭВМ, должны быть оборудованы защитным заземлением (занулением) в соответствии с техническими требованиями по эксплуатации.

Не следует размещать рабочие места с ПЭВМ вблизи силовых кабелей и вводов, высоковольтных трансформаторов, технологического оборудования, создающего помехи в работе ПЭВМ.

4.2.3. Микроклимат на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ

В производственных помещениях, в которых работа с использованием ПЭВМ является основной (диспетчерские, операторские, расчетные, кабины и посты управления, залы вычислительной техники и др.) и связана с нервно-эмоциональным напряжением, должны обеспечиваться оптимальные параметры микроклимата для категории работ 1а и 1б, представленные в таблице 4.4. К категории 1а относятся работы, производимые сидя и не требующие физического напряжения, при котором расход энергии составляет до 120 ккал/ч; к категории 1б относятся работы, производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой и сопровождающиеся некоторым физическим напряжением, при которых расход энергии составляет от 120 до 150 ккал/ч.

Таблица 4.4.

Оптимальные нормы микроклимата для помещений с ПЭВМ

Сезон года	Категория работ	Температура воздуха, °С	Относительная влажность, %	Скорость движения воздуха, м/с
холодный и переходный	1а	22-24	40-60	0,1
	1б	21-23	40-60	0,1
теплый	1а	23-25	40-60	0,1
	1б	22-24	40-60	0,1

4.2.4. Шум на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ

Уровень шума в помещении по ГОСТ 12.1003-91 в рабочей зоне не должен превышать 50 дБ.

Шумящее оборудование (печатающие устройства, серверы и т.п.), уровни шума которого превышают нормативные, должно размещаться вне помещений с ПЭВМ.

4.2.5. Освещение

Рабочие столы следует размещать таким образом, чтобы видеодисплейные терминалы были ориентированы боковой стороной к световым проемам, чтобы естественный свет падал преимущественно слева.

Искусственное освещение в помещениях для эксплуатации ПЭВМ должно осуществляться системой общего равномерного освещения.

Освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа должна быть 300-500 лк. Освещение не должно создавать бликов на поверхности экрана. Освещенность поверхности экрана не должна быть более 300 лк.

Следует ограничивать прямую блесткость от источников освещения, при этом яркость светящихся поверхностей (окна, светильники и др.), находящихся в поле зрения, должна быть не более 200 кд/м.

Следует ограничивать отраженную блесткость на рабочих поверхностях (экран, стол, клавиатура и др.) за счет правильного выбора типов светильников и расположения рабочих мест по отношению к источникам естественного и искусственного освещения, при этом яркость бликов на экране ПЭВМ не должна превышать 40 кд/м и яркость потолка не должна превышать 200 кд/м.

Показатель ослепленности для источников общего искусственного освещения в производственных помещениях должен быть не более 20.

Яркость светильников общего освещения в зоне углов излучения от 50 до 90° с вертикалью в продольной и поперечной плоскостях должна составлять не более 200 кд/м, защитный угол светильников должен быть не менее 40°.

Светильники местного освещения должны иметь непросвечивающий отражатель с защитным углом не менее 40°.

Следует ограничивать неравномерность распределения яркости в поле зрения пользователя ПЭВМ, при этом соотношение яркости между рабочими поверхностями не должно превышать 3:1-5:1, а между рабочими поверхностями и поверхностями стен и оборудования 10:1.

В качестве источников света при искусственном освещении следует применять преимущественно люминесцентные лампы типа ЛБ и компактные люминесцентные лампы (КЛЛ). При устройстве отраженного освещения в производственных и административно-общественных помещениях допускается применение металлогалогенных ламп. В светильниках местного освещения допускается применение ламп накаливания, в том числе галогенных.

Для освещения помещений с ПЭВМ следует применять светильники с зеркальными параболическими решетками, укомплектованными электронными пуско-регулирующими аппаратами (ЭПРА). Допускается использование многоламповых светильников с ЭПРА, состоящими из равного числа опережающих и отстающих ветвей.

Применение светильников без рассеивателей и экранирующих решеток не допускается.

При отсутствии светильников с ЭПРА лампы многоламповых светильников или рядом расположенные светильники общего освещения следует включать на разные фазы трехфазной сети.

Общее освещение при использовании люминесцентных светильников следует выполнять в виде сплошных или прерывистых линий светильников, расположенных сбоку от рабочих мест, параллельно линии зрения пользователя при рядном расположении видеодисплейных терминалов. При периметральном расположении компьютеров линии светильников должны располагаться локализованно над рабочим столом ближе к его переднему краю, обращенному к оператору.

Коэффициент запаса (Кз) для осветительных установок общего освещения должен приниматься равным 1,4.

Коэффициент пульсации не должен превышать 5%.

Для обеспечения нормируемых значений освещенности в помещениях для использования ПЭВМ следует проводить чистку стекол оконных рам и светильников не реже двух раз в год и проводить своевременную замену перегоревших ламп.

4.2.6. Уровень электромагнитных излучений

Нормирование электромагнитных полей радиочастот осуществляется по СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Предельно допустимая напряженность на рабочем месте не должна превышать значений, приведенных в таблице 6.2.

Для предотвращения облучения оператор должен находится на расстоянии не менее 30 см от экрана монитора.

4.3. Эргономика и производственная эстетика

Эргономические требования, предъявляемые не только к конструкции, изделию, но и к организации рабочего места с точки зрения соответствия его антропологическим и физиологическим свойствам человека. Рабочее место спроектировано так, чтобы выполнение трудовых действий осуществлялось в рациональных рабочих положениях, учитывающих величину физической нагрузки при работе, необходимость ведения записей в соответствии с СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.

Необходимо выполнение следующих требований, предъявляемых к рабочему месту:

1. Высота рабочей поверхности стола для взрослых пользователей должна регулироваться в пределах 680-800 мм; при отсутствии такой возможности высота рабочей поверхности стола должна составлять 725 мм.

2. Модульными размерами рабочей поверхности стола для ПЭВМ, на основании которых должны рассчитываться конструктивные размеры, следует считать: ширину 800, 1000, 1200 и 1400 мм, глубину 800 и 1000 мм при нерегулируемой его высоте, равной 725 мм.

3. Рабочий стол должен иметь пространство для ног высотой не менее 600 мм, шириной - не менее 500 мм, глубиной на уровне колен - не менее 450 мм и на уровне вытянутых ног - не менее 650 мм.

4. Конструкция рабочего стула должна обеспечивать:

­ ширину и глубину поверхности сидения не менее 400 мм;

­ поверхность сидения с закругленным передним краем;

­ регулировку высоты поверхности сидения в пределах 400-550 мм и углам наклона вперед - до 15° и назад - до 5°;

­ высоту опорной поверхности спинки 300±20 мм, ширину - не менее 380 мм и радиус кривизны горизонтальной плоскости - 400 мм;

­ угол наклона спинки в вертикальной плоскости в пределах ±30°;

­ регулировку расстояния спинки от переднего края сидения в пределах 260-400 мм;

­ стационарные или съемные подлокотники длиной не менее 250 мм и шириной - 50-70 мм;

­ регулировку подлокотников по высоте над сидением в пределах 230±30 мм и внутреннего расстояния между подлокотниками в пределах 350 - 500 мм.

5. Рабочее место пользователя ПЭВМ следует оборудовать подставкой для ног, имеющей ширину не менее 300 мм, глубину не менее 400 мм, регулировку по высоте в пределах до 150 мм и по углу наклона опорной поверхности подставки до 20°. Поверхность подставки должна быть рифленой и иметь по переднему краю бортик высотой 10 мм.

6. Клавиатуру следует располагать на поверхности стола на расстоянии 100-300 мм от края, обращенного к пользователю или на специальной регулируемой по высоте рабочей поверхности, отделенной от основной столешницы.

4.4. Электробезопасность рабочих мест

Для предотвращения образования статического электричества в помещениях необходимо использовать нейтрализаторы и увлажнители воздуха; полы должны иметь антистатическое покрытие. Допустимый уровень напряженности электростатического поля в помещениях не должен превышать 15В/м.

По типу защиты от поражения элетрическим током оргтехника подразделяются на два класса:

­ монитор относится ко второму классу, как имеющий изоляцию и не имеющий элемента для присоединения нулевого защитного проводника;

­ вся остальная техника относится к первому классу, как имеющая рабочую изоляцию и элемент для присоединения нулевого защитного проводника.

Вычислительную технику обязательно необходимо «занулять», чтобы предупредить поражение электрическим током от замыкания на корпус.

Корпус компьютера должен быть закрыт, чтобы предотвратить случайный доступ оператора к токоведущим частям.

4.5. Пожарная безопасность

Пожарная безопасность, согласно ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность», предусматривает такое состояние объекта, при котором исключается возможность возникновения пожара, а в случае его возникновения предотвращается защита материальных ценностей. Основными направлениями пожарной охраны являются профилактические мероприятия, направленные на предупреждение пожаров и ограничение их размеров.

Требуемый уровень обеспечения пожарной безопасности людей с помощью указанных систем должен быть не менее 0,999999 предотвращения воздействия опасных факторов в год в расчете на каждого человека, а допустимый уровень пожарной опасности для людей должен быть не более 10 воздействия опасных факторов пожара, превышающих предельно допустимые значения, в год в расчете на каждого человека.

Причинами возникновения пожара могут быть небрежности в обращении с огнем, неисправность электрических цепей и приборов, нарушение правил пожарной безопасности. Для предотвращения пожара необходимо соблюдать следующие правила на рабочем месте:

­ не оставлять без присмотра включенные электроприборы;

­ не допускать неисправностей в электропроводке;

­ не допускать нагрузки электропроводки выше нормы;

­ курить строго в отведенных для этого местах;

­ не загораживать проходы, не захламлять помещение легковоспламеняющимися материалами;

­ не загораживать вентиляционные отверстия мониторов, держать и подальше от источников тепла.

В случае возникновения пожара необходимо:

­ немедленно сообщить о случившемся в пожарную часть;

­ принять меры для эвакуации людей и ценного имущества;

­ пользуясь имеющими средствами пожаротушения приступить к локализации очага возгорания и его тушению, в случае возгорания изоляции электропроводки необходимо до начала тушения отключить питающее напряжение.

Каждое производственное помещение оснащено первичными средствами пожаротушения, в качестве которых могут выступать: вода, песок, химические пенные огнетушители ОХП-10, ОХВП-10, углекислотные огнетушители ОУ-2, ОУ-5, ОУ-8 (углекислотными огнетушителями отдается предпочтение в помещениях вычислительных центров). Могут быть установлены системы автоматической пожарной сигнализации и автоматического пожаротушения. Регулярно должны проводиться ознакомительные беседы и занятия по пожарной безопасности.

5. Организационно - экономический раздел

5.1. Постановка задачи

В ходе выполнения данной дипломной работы было выполнено исследование алгоритмов управления технологическими процессами и методов диагностики отказов элементов АСУТП для радиохимических производств. Результаты данной работы в дальнейшем будут использоваться в учебных целях и исследовательских работах, проводимых на кафедре. Оценить эффективность данной работы с экономической точки зрения не представляется возможным. Поэтому, в данном разделе будет выполнено сетевое планирование дипломной работы и расчет затрат на ее выполнение.

5.2. Сетевое планирование дипломной работы

Методы сетевого проектирования и управления широко и успешно применяются для оптимизации планирования и управления сложными разветвленными комплексами работ, требующими участия большого числа исполнителей и затрат ограниченных ресурсов.

Сущность сетевого проектирования заключается в том, что планируемый процесс выполнения дипломной работы изображается в виде сетевого графика, в котором увязывается весь комплекс действий для дипломной работы, при рассмотрении которого можно выделить наиболее важные моменты проектирования и сконцентрировать внимание на их выполнении.

Для построения сетевого графика выполнения дипломной работы был составлен составим перечень работ, представленный в таблице 5.1.

5.2.1 Расчет ожидаемой продолжительности выполнения работ

Рассчитаем ожидаемую продолжительность работ t_ij.

Ожидаемая продолжительность каждой работы определяется по формуле:

t_{ij ож} = 0,6 t_{ij мин} + 0,4 t_{ij макс}, (5.1)

где t_{ij мин} - минимальная продолжительность работы, определяемая наиболее благоприятными условиями; t_{ij макс} - максимальная продолжительность работы, определяемая наиболее неблагоприятными условиями.

Продолжительности t_{ij макс} и t_{ij мин} задаются ответственным исполнителем каждой работы.

Таблица 5.1.

Перечень и параметры работ сетевого графика

Код работы	Наименованиие работы	Продолжительность, дн.	Исполнители, чел.
		мин. tijмин	макс. tijmax	ожид. tij	И	Р	Р (Э)	Р (Б)
0,1	формирование и утверждение темы диплома	1	3	2	1	1	0	0
1,2	анализ ТЗ	2	7	4	1	0	0	0
2,3	подбор литературы по теме диплома	4	10	6	1	0	0	0
3,4	изучение литературы по моделированию элементов системы управления	10	14	12	1	0	0	0
3,6	изучение литературы по управлению технологическими процессами радиохимических производств	4	6	5	1	0	0	0
4,5	построение моделей элементов системы управления в ПП Vissim	8	12	10	1	0	0	0
5,6	исследование моделей элементов системы управления	5	9	7	1	0	0	0
6,7	исследование законов управления объектом	8	14	10	1	0	0	0
7,8	оформление и защита отчета по преддипломной практике	4	7	5	1	1	0	0
8,9	получение задания по организационно-экономическому разделу	1	1	1	1	0	1	0
8,10	анализ литературы по диагностике отказов	7	12	9	1	1	0	0
9,11	подбор литературы по организационно-экономическому разделу	1	3	2	1	0	0	0
10,12	получение задания по разделу БЖД	1	1	4	1	0	0	1
10,13	построение моделей отказов в среде Vissim	2	4	3	1	0	0	0
11,13	оформление и сдача на проверку и подпись экономического раздела	3	6	4	1	0	1	0
12,14	подбор литературы по разделу БЖД	1	3	2	1	0	0	0
13,15	разработка алгоритма диагностики отказов	14	21	17	1	1	0	0
14,15	оформление и сдача на проверку и подпись раздела БЖД	2	5	3	1	0	0	1
15,16	анализ полученных результатов	2	8	4	1	1	0	0
16,17	оформление пояснительной записки и плакатов	16	6	20	1	0	0	0
17,18	сдача работы на подпись и рецензирование	1	3	2	1	1	0	0
18,19	подготовка доклада к защите дипломной работы	2	7	4	1	1	0	0
19,20	защита дипломной работы	1	1	1	1	0	0	0

5.2.2. Расчет параметров событий сетевого графика

Ранний срок свершения исходного (нулевого) события сетевого графика принимается равным нулю. Ранний срок свершения данного промежуточного события Т_рi рассчитывается путем сравнения сумм, состоящих из раннего срока свершения события, непосредственно предшествующего данному, и длительности работы. В качестве раннего срока свершения события принимается максимальная из сравниваемых сумм.

Рассчитанный таким способом ранний срок свершения завершающего события всего сетевого графика принимается в качестве его же позднего срока свершения. Это означает, что завершающее событие сетевого графика никаким резервом времени не располагает.

Поздний срок свершения данного промежуточного события Т_пi определяется аналогично, но только при просмотре сетевого графика в обратном направлении и поздний срок свершения равен минимуму из подсчитанных разностей. Правильность расчета поздних сроков свершения событий сетевого графика подтверждается получением нулевого позднего срока свершения исходного события.

Резерв времени образуется у тех событий, для которых поздний срок свершения больше раннего, и он равен их разности. Если же эти сроки равны, событие резервом времени не располагает и, следовательно, лежит на критическом пути [10].

Результаты расчета приведены в таблице 5.2 и изображены на сетевом графике (рисунок 5.1).

Таблица 5.2.

Параметры событий сетевого графика

Номер события	Сроки свершения, дн	Резерв времени, дн	Номер события	Сроки свершения, дн	Резерв времени, дн
	ранний	поздний			ранний	поздний
0	0	0	0	10	65	65	0
1	2	2	0	11	59	64	5
2	6	6	0	12	69	80	11
3	12	12	0	13	68	68	0
4	24	24	0	14	71	82	11
5	34	34	0	15	85	85	0
6	41	41	0	16	89	89	0
7	51	51	0	17	99	99	0
8	56	56	0	18	111	111	0
9	57	62	5	19	115	115	0
				20	116	116	0

Таким образом, критический путь проходит через события 0,1,2,3,4,5,6,7,8,10,13,15,16,17,18,19,20.

5.2.3. Расчет параметров работ сетевого графика

Ранний срок начала работы Т_рнij совпадает с ранним сроком свершения ее начального события:

Т_рнij = Т_рi . (5.2)

Поздний срок начала работы Т_пнij можно получить, если из позднего срока свершения ее конечного события вычесть ее ожидаемую продолжительность:

Т_пнij = Т_пj - t_ij . (5.3)

Ранний срок окончания работы Т_роij образуется прибавлением ее продолжительности к раннему сроку свершения ее начального события:

Т_роij = Т_рi - t_ij . (5.4)

Поздний срок окончания работы Т_поij совпадает с поздним сроком свершения ее конечного события:

Т_поij = Т_пj . (5.5)

Для всех работ критического пути, как не имеющих резервов времени, ранний срок начала совпадает с поздним сроком начала, а ранний срок окончания - с поздним сроком окончания. Работы, не лежащие на критическом пути, обладают резервами времени.

Полный резерв времени работы R_пij образуется вычитанием из позднего срока свершения ее конечного события раннего срока свершения начального события и ее ожидаемой продолжительности:

R_пij = Т_пj - Т_рi - t_ij. (5.6)

Частный резерв времени первого рода R¹_пij равен разности поздних сроков свершения ее конечного и начального событий за вычетом ее ожидаемой продолжительности:

R¹_пij = Т_пj - Т_пi - t_ij . (5.7)

Частный резерв времени второго рода R²_пij равен разности ранних сроков свершения ее конечного и начального событий за вычетом ее ожидаемой продолжительности:

R²_пij = Т_рj - Т_рi - t_ij . (5.8)

Свободный (независимый) резерв времени работы R_cij образуется вычитанием из раннего срока свершения ее конечного события позднего срока свершения ее начального события и ее ожидаемой продолжительности.

Свободный резерв времени может быть отрицательным:

R_cij = Т_рj - Т_пi - t_ij . (5.9)

Работы, лежащие на критическом пути имеют коэффициент напряженности К_нij равен единице. Если работа не лежит на критическом пути ее коэффициент напряженности будет меньше единицы.

Величина коэффициента напряженности К_нij подсчитывается как отношение суммы продолжительностей отрезков максимального пути, проходящего через данную работу, не совпадающих с критическим путем, к сумме продолжительностей отрезков критического пути, не совпадающих с максимальным путем, проходящим через эту работу.

В зависимости от коэффициента напряженности все работы попадают в одну из трех зон напряженности: критическую (К_нij > 0,8), промежуточную (0,5 ? К_нij ? 0,8), резервную (К_нij < 0,5).

Результаты расчета сведены в таблицу 5.3. Из таблицы видно, что количество критических работ - 13, промежуточных -5, резервных - 5.

В целом сетевой график характеризуется следующими параметрами:

- Количество событий в сетевом графике, включая исходное: n_с = 21;

- Количество работ в сетевом графике: n_р = 23;

- Коэффициент сложности сетевого графика, равный отношению количества работ к количеству событий в сетевом графике: k_c = n_p / n_c = 23/21 = 1,095.

Критический путь L_кр в сетевом графике, проходящий через события и работы, не обладающие резервами времени, имеет максимальную продолжительность, равную сроку свершения завершающего события: t_кр = 116 дн. [10].

Таблица 5.3.

Параметры работ сетевого графика

Код работы	Ожидаемая продолжитель- ность, дн	Сроки начала, дн	Сроки окончания, дн	Резервы времени, дн	Коэф- фициент напря-женно-сти
		ранний	Поздний	ранний	поздний	полный	частный 1 рода	частный 2 рода	Свобод-ный
0,1	2	0	0	2	2	0	0	0	0	1,0
1,2	4	2	2	6	6	0	0	0	0	1,0
2,3	6	6	6	12	12	0	0	0	0	0,056
3,4	12	12	12	24	24	0	0	0	0	0,655
3,6	5	12	36	17	41	24	0	0	-24	0,655
4,5	10	24	24	34	34	0	0	0	0	1,0
5,6	7	34	34	41	41	0	0	0	0	1,0
6,7	10	41	41	51	51	0	0	0	0	0,621
7,8	5	51	51	56	56	0	0	0	0	0,621
8,9	1	56	61	57	62	5	0	0	-5	0,621
8,10	9	56	56	65	65	0	0	0	0	1,0
9,11	2	57	62	59	64	5	0	0	-5	0,218
10,12	4	65	75	69	80	11	0	0	-11	1,0
10,13	3	65	65	68	68	0	0	0	0	1,0
11,13	4	59	64	63	68	5	0	0	-5	1,0
12,14	2	69	80	71	82	11	0	0	-11	1,0
13,15	17	68	68	85	85	0	0	0	0	1,0
14,15	3	71	82	74	85	11	0	0	-11	0,218
15,16	4	85	85	89	89	0	0	0	0	1,0
16,17	20	89	79	109	99	10	0	0	-10	0,456
17,18	2	99	109	101	111	10	0	0	-10	1,0
18,19	4	111	111	115	115	0	0	0	0	1,0
19,20	1	115	115	116	116	0	0	0	0	0,456

5.3. Расчет стоимостных параметров сетевого графика

5.3.1. Расчет трудоемкости работ

Для упрощения расчётов трудоёмкости работы T_ij удобно ввести понятие приведённой к ИНЖ численности работающих Ч_ij. Для расчёта приведённой ИНЖ - численности необходимо вначале рассчитать коэффициент перерасчета К_к численности работающих k-ой категории в ИНЖ численность, равный отношению средней заработной платы работающих k-ой категории З_к к средней заработной плате ИНЖ З_инж.

Должностные оклады персонала НИИ и соответствующие коэффициенты перерасчета приведены в таблице 5.4.

Таблица 5.4.

Должностные оклады персонала НИИ

Категория персонала	Месячный должностной оклад, руб./мес	Коэффициент перерасчета Кк
руководители	12000	2,0
инженеры	6000	1,0

Приведенная численность работы Ч_ij рассчитывается по формуле:

Ч_ij = Ч_Иij К_И + Ч_НСij К_НС, (5.10)

где Ч_Иij - численность инженеров, Ч_НСij - численность научных сотрудников.

Приведенная к ИНЖ-дням трудоемкость работы T_ij

T_ij = Ч_ij t_ij, (5.11)

где t_ij - ожидаемая продолжительность работы.

5.3.2. Расчет сметной стоимости работ

Сметную стоимость работы можно упрощённо подсчитать, зная её приведенную трудоемкость в ИНЖ-днях и среднюю стоимость одного ИНЖ-дня, С_дн. Последняя складывается из затрат, представленных в укрупнённом виде в таблице 5.4.

Среднедневная заработная плата одного инженера рассчитывается делением среднемесячной заработной платы одного инженера (основной и дополнительной) на среднее число рабочих дней в месяце, установленное в законодательном порядке. Остальные статьи затрат рассчитываются по соотношениям, приведенным в таблице 5.4. Результаты расчетов вносятся в таблицу 5.5.

Сметную стоимость работы можно упрощенно подсчитать, зная ее приведенную трудоемкость в ИНЖ-днях и среднюю стоимость одного ИНЖ-дня, Cдн. Последняя складывается из затрат, представленных в укрупненном виде в таблице 6.5.

Таким образом затраты на выполнение данной дипломной работы составляют 164 388,0 руб.

Таблица 5.4.

Статьи затрат на проведение НИР

Наименование	Соотношение	Результат, руб.
основная заработная плата, Зосн	Прямой расчет	6000,0
дополнительная заработная плата, Здоп	0,1 Зосн	600,0
отчисление на социальное страхование, Осоц	0,054(Зосн+ Здоп)	356,4
отчисление в пенсионный фонд, Оп	0,28(Зосн+ Здоп)	1848,0
отчисление на медицинское страхование, Омед	0,036(Зосн+ Здоп)	237,6
отчисление в фонд занятости, Оз	0,015(Зосн+ Здоп)	99,0
стоимость материалов, покупных изделий и полуфабрикатов, См	(0,15…0,75)Зосн	3000
накладные расходы, Нр	(0,45…0,85)Зосн	3000

Таблица 5.5.

Трудоемкость и сметная стоимость работ сетевого графика

Код работы	Ожидаемая продолжительность, дн.	Исполнители, чел	Приведенная численность, инж.	Приведенная трудоемкость, инж. дн.	Среднедневная зарюплата инженера, руб./дн.	Среднедневные прочие затраты, руб./дн.	Стоимость одного инж.-дн.	Сметная стоимость работы, руб.
		И	Р	Р(Э)	Р(БЖД)
0,1	2	1	1	0	0	3	6	314,3	406,7	721,0	4326,0
1,2	4	1	0	0	0	1	4				2884,0
2,3	6	1	0	0	0	1	5				3605,0
3,4	12	1	0	0	0	1	12				8652,0
3,6	5	1	0	0	0	1	5				3605,0
4,5	10	1	0	0	0	1	10				7210,0
5,6	7	1	0	0	0	1	7				5047,0
6,7	10	1	0	0	0	1	10				7210,0
7,8	5	1	1	0	0	3	15				10815,0
8,9	1	1	0	1	0	3	1				721,0
8,10	9	1	1	0	0	3	27				19467,0
9,11	2	1	0	0	0	1	2				1442,0
10,12	4	1	0	0	1	3	4				2884,0
10,13	3	1	0	0	0	1	3				2163,0
11,13	4	1	0	1	0	3	4				2884,0
12,14	2	1	0	0	0	1	2				1442,0
13,15	17	1	1	0	0	3	51				36771,0
14,15	3	1	0	0	1	3	9				6489,0
15,16	4	1	1	0	0	3	12				8652,0
16,17	20	1	0	0	0	1	20				14420,0
17,18	2	1	1	0	0	3	6				4326,0
18,19	4	1	1	0	0	3	12				8652,0
19,20	1	1	0	0	0	1	1				721,0
Итого, руб.	164388,0

Заключение

В результате работы был разработан алгоритм диагностики отказов элементов системы управления, основный на использовании математических моделей.

Была разработана методика диагностики отказов с использованием наблюдателей состояния и наблюдателей при неизвестном входе.

Данная методика позволяет:

- выявлять отказы всех элементов системы;

- выявлять как внезапные, так и зарождающиеся отказы с минимальной задержкой выявления;

- изолировать отказы датчиков и исполнительных механизмов путем построения схем изоляции Франка или Кларка.

Наблюдатели неизвестного входа позволяют создать надежные алгоритмы диагностики отказов. Такие алгоритмы позволяют создать систему диагностики отказов чувствительную только отказам, при наличии отличия модели от реальной системы управления, тем самым позволяя минимизировать возможность возникновения ложных сигналов отказов.

Метод диагностики, основанный на использовании наблюдателей позволяет выполнить диагностику отказов датчиков и исполнительных механизмов. Задача изоляции отказов объекта управления в этом методе не рассматривается. Для решения этой задачи было предложено использовать классификационные нейронные сети.

Для исследования методики диагностики, в качестве тестового примера, была рассмотрена система регулирования уровня жидкости в баке. Было предложено два варианта решения задачи диагностики. Первый основан на принципе формирования рассогласований с помощью наблюдателей состояния, второй на наблюдателях при неизвестном входе. Так же было выполнено проектирование системы диагностики, имитационное моделирование, анализ полученных результатов.

Литература

1. Chen J. and Patton R. J. Robust Model-Based Fault Diagnosis for Dynamic Systems. - Kluwer: Academic Publisher, 1999. - 326с.

2. Silvio Simani, Cesare Fantuzzi and Ron J. Patton. Model-based fault diagnosis in dynamic systems using identification techniques. - Springer-Verlag, 2002.

3. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. - Л.: Энергоиздат, 1082. - 392 с.

4. Безопасность жизнедеятельности: Методические указания по дипломному проектированию. Под ред. Пожбелко Г.С. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1999. - 12с.

5. Головко В.А. Нейронные сети: обучение, организация и применение. - М.: ИПРЖР, 2001. - 256 с.

6. ГОСТ 12.0.003-74. Опасные и вредные производственные факторы.

7. ГОСТ 12.1003-91. Шум. Общие требования безопасности.

8. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность.

9. ГОСТ 22269-76. Система «человек-машина». Рабочее место оператора.

10. Зинкевич В.С., Баев Л.А. Сетевые методы планирования и управления: Методические указания к курсовому проекту для студентов приборостроительного факультета - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 1998. - 22с.

11. Злакоманов В. В. Проектирование средств автоматики и управления в технических системах: Методическое руководство по дипломному проектированию. -- Челябинск: Из-во ЮУрГУ, 2004. -- 122 с.

12. Касюк С. Т. Разработка программного обеспечения автоматизированной системы: Методическое руководство по дипломному проектированию для студентов специальности 210100. -- Челябинск: Из-во ЮУрГУ, 2006. -- 158 с.

13. Медведев В.С., Потемкин В.Г. Нейронные сети: Matlab 6. - М.: Диалог-МИФИ, 2002. - 489с.

14. Мицкевич Ю.Г., Богатова Л.С. Автоматическое управление технологическими процессами радиохимических производств - М.: Атомиздат, 1970. - 424 с.

15. Основы автоматизации химических производств. Под редакцией П.А. Обновленского. - М.: Химия, 1975. - 528с.

16. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Санитерно-эпидемиологические правила и нормативы.

17. Стандарт предприятия. Курсовое и дипломное проектирование. Общие требования к оформлению. СТП ЮУрГУ 04-2001/Составители: Сырейщикова Н.В., Гузеев В.И., Сурков И.В., Винокурова Л.В., -- Челябинск: ЮУрГУ, 2001. -- 49 с.

18. Управление и информатика в технических системах: Методическое руководство по преддипломной практике и дипломному проектированию для студентов специальности 2101 / А. Д. Чесноков, Л. С. Казаринов, А. Е. Гудилин, А. В. Ящиков, В. Ф. Постаушкин, А. Н. Салтыков, В. И. Иванов, О. Н. Казьмин, Г. Б. Барменков; Под ред. Л.С.Казаринова. -- Челябинск: ЧГТУ. 1995. -- 30 с.

19. Франкс Р. Математическое моделирование в химической технологии. - М.: «Химия», 1971. - 272 с.

20. Чернобыльский И.Н. Машины и аппараты химических производств. - М.: Атомиздат, 1964. - 623с.