Создание многоуровневыхинформационно-управляющих систем реального времени на основе методов оптимизации и математического моделирован

6. Разработанные и внедренные на предприятиях газовой отрасли (ООО «Севергазпром», «Сургутгазпром», «Ноябрьскгаздобыча») многоуровневые информационно-управляющие системы реального времени, выполненные на базе проведенных научных исследований, предложенных и обоснованных математических моделей, программных и аппаратных средств.

Практическая  ценность и реализация результатов  работы:

• разработана и внедрена в практику НИИИС концепция построения МИУС РВ для предприятий газовой отрасли, обеспечивающих повышение эффективности управления технологическими процессами в режиме реального времени;
• разработаны и доведены до коммерческого продукта программно-инструментальный комплекс «Орион» как единое средство построения специального программного обеспечения для автоматизации технологических процессов в реальном времени, SCADA-системы АТОМ и «Сургут-QNX», промышленные микропроцессорные контроллеры и расходомеры, не уступающие по своим характеристикам зарубежным аналогам;
• реализована в системе автоматического управления газоперекачивающим агрегатом ГТК-10-4 математическая модель нагнетателя ГПА;
• организовано серийное производство ПТС для важнейших составных частей МИУС – системы телемеханики, предназначенной для контроля и управления линейной частью магистральных газопроводов, систем управления компрессорными цехами и станциями;
• разработана и программно реализована информационная экспертно-аналитическая система (ЭАС) многокритериальной оценки, анализа и прогнозирования технического состояния линейной части магистральных газопроводов.

 Таким образом,  на основе общей концепции  построения МИУС РВ реализован базовый комплекс программно-технических средств для автоматизации крупных предприятий топливно-энергетического комплекса, ориентированный на большой объем технологических параметров и адаптированный к специфике газовой отрасли.

Апробация (представление) результатов работы состоялась:

на I-м Международном конгрессе «Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности и энергетики будущего» (Тюмень, 1996);

на 20-м Всемирном газовом конгрессе (Копенгаген, 1997);

на 2-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 1997);

на научно-техническом Совете РАО «Газпром» «Состояние и основные направления развития работ по созданию комплекса технических средств для автоматизированного контроля расходов отбора газа из скважин на газовых промыслах» (Москва, 1998);

на научно-практической конференции «Итоги и перспективы развития десятилетнего сотрудничества Минатома РФ и ОАО «Газпром»  
(Н. Новгород, 1999);

на 11-й Международной конференции «СВЧ техника и телеком-муникационные технологии» (Севастополь, 2001);

на III-й Международной конференции «Энергодиагностика и condition monitoring» (Н. Новгород, 2001);

на Международной конференции «Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления» (Н. Новгород, 2002);

на 2-м Российско-китайском научно-техническом семинаре «Стратегическая стабильность в мире и контроль над вооружением» (Москва, 2002);

на «Общероссийской научно-практической школе расходометрии» (Тюмень, 2003);

на IV-й Международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (Москва, 2004);

на VI International Congress Mathematical modeling (N.Novgorod, 2005);

на Международной конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2007).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в двух монографиях, одном учебном пособии, тридцати пяти печатных работах (13 из которых опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования докторских диссертаций), четырех патентах РФ на изобретения, трех сертификатах соответствия, двух свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и  объем диссертационной работы. Содержание диссертационной работы изложено на 318 страницах машинописного текста и включает: введение, 9 глав, заключение, список литературы из 153 наименований, 46 рисунков, 9 таблиц и приложение.

 

Содержание  работы

 

Во введении дается общая характеристика научного направления, обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и основные задачи исследования, раскрывается научная новизна и практическая значимость результатов, приводятся сведения по их реализации и практическому использованию.

В первой главе дается содержательное описание объекта исследования, рассмотрены особенности технологии добычи и подготовки газа типового российского ГДП на примере ООО «Ноябрьскгазодобыча» и транспорта газа типового российского ГТП на примере ООО «Сургутгазпром», которые могут быть определены как базовые для разработки комплекса типовых проектно-технических решений при создании МИУС РВ. Дана характеристика особенностей эксплуатации и автоматизации предприятий газовой отрасли в рамках научно-технической программы по созданию «Отраслевой системы оперативно-диспетчерского управления Единой системы газоснабжения России».

Определены направления  эволюционного развития МИУС РВ от систем релейной автоматики к микропроцессорным  средствам управления и в дальнейшем к системам искусственного интеллекта, использующим достижения информационных технологий.

Изложена внедренная в практику НИИИС концепция построения МИУС РВ для предприятий газовой  отрасли промышленности, состоящая в следующем:

• проектирование – от верхнего уровня до нижнего, реализация – 
  с нижнего уровня до верхнего;
• поэтапное внедрение программно-аппаратных средств без остановки производственного процесса;
• контроль за технологическим процессом в реальном масштабе времени;
• управление технологическим процессом с любого уровня 
  с основным уровнем управления на диспетчерском пункте управления;
• открытость для реконфигурирования при подключении новых технологических объектов;
• применение датчиков, микропроцессоров, расходомеров, элементов автоматики и телемеханики отечественных производителей;
• применение SCADA-системы (Supervisory Control and Data Acquisition, диспетчерский контроль и сбор данных) на базе современных программно-технических средств ведущих отечественных и зарубежных фирм.

Рассмотрены концептуальные вопросы и базовые проектно-технические  решения создания многоуровневых ИУС  РВ и их интеграции в ОСОДУ ЕСГ России.

Во второй главе исследована SCADA-система как программный комплекс сбора, обработки информации и управления технологическими процессами в режиме реального времени.

Рассмотрены принципы построения SCADA-систем на базе современных программных технологий, программно-инструментальная платформа и состав программного обеспечения ИУС РВ:

- SCADA-система АТОМ, строится в виде распределенной компонентной модели на основе сетевых технологий фирмы Microsoft, таких как OLE, Activex, в соответствии со стандартом ОРС;

- программно-инструментальный комплекс «Орион», строится в виде модульной многопоточной структуры, имеющей встроенную поддержку сети с помощью стандартных интерфейсов (RS 232 или Ethernet);

- SCADA-система «Сургут-QNX», строится как сетевой программный продукт, предназначенный для крупных технологических объектов с большим объемом информации (до 120000 переменных) и работающий в ОС реального времени QNX.

Для этих отечественных SCADA-систем, разработанных под руководством автора в НИИИС и защищенных свидетельствами РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ, приведено описание и представлены основные технические характеристики, с помощью которых проведен многокритериальный анализ по 24 частным критериям оптимальности.

В третьей главе описываются объектно-ориентированные технические средства, используемые для создания ИУС РВ разных уровней.

В качестве технических  средств «верхнего» уровня управления применяются современные средства вычислительной техники импортного производства (серверные платформы, рабочие станции, рабочие места диспетчера и оператора), для выбора состава и конфигурации которых рассматриваются методы многокритериального выбора с учетом качественной информации о весовых коэффициентах относительной важности частных критериев оптимальности.

Приведено описание конкурентоспособных и импортозамещающих объектно-ориентированных технических средств, разработанных на базе выполненных исследований и используемых для создания ИУС РВ разных уровней управления, а именно: защищённых патентами РФ на полезную модель микропроцессорных контроллеров «нижнего» уровня КБА-01М и КПН для сбора, обработки информации и управления технологическими процессами; микроволновых бесконтактных расходомеров продуктов добычи газоконденсатных месторождений, принцип действия которых основан на защищённых патентами РФ на изобретения способах и устройствах высокочастотного зондирования многофазных потоков.

Разработано и серийно  освоено два типа собственных  контроллеров:

• КПН – промышленный контроллер «нижнего» уровня управления, насчитывающий до 600 параметров ввода/вывода и построенный на базе системной микропроцессорной платы фирмы Octagon Systems;
• КБА-01М – малогабаритный программируемый контроллер, имеющий до 248 параметров ввода/вывода и относящийся к группе малоинформативных контроллеров. В контроллере КБА-01М в качестве центрального процессорного устройства применяется однокристальный микрокомпьютер с архитектурой ADSP фирмы Analog Devices.

При создании контроллера  КБА-01М решалась задача минимизации его массогабаритных и стоимостных характеристик путем выбора оптимального соотношения между долями электронных компонентов отечественного и зарубежного производства.

Рассмотрена концепция  создания микроволновой многофазной расходометрии для газоконденсатных месторождений, основанной на непрерывном бесконтактном измерении покомпонентного дебита скважин (газ-конденсат-вода). На ее основе развит метод микроволнового зондирования газоконденсатных потоков, использующий открытые цилиндрические резонаторы на сверхвысоких типах колебаний и резонаторный метод измерения сдвигов собственных частот и добротности резонатора.

Описаны разработанные  и серийно выпускаемые бесконтактные  расходомеры двухфазных потоков:

• РГЖ-001 (на ПЭВМ);
• РГЖ-001-01 (на базе промышленного контроллера КПН).

В четвертой главе изложены методы оптимизации проектирования и диагностики радиоэлектронного оборудования ИУС РВ, основанные на популяционно-эволюционном подходе.

Рассматривается оптимизационная  задача компоновки радиоэлектронного оборудования по типовым блокам в монтажных шкафах как задача К-разбиения мультиграфа.

Функциональная электрическая схема моделируется взвешенным графом G(X, E), вершины которого (элементы множества X) соответствуют типовым блокам схемы, а ребра (элементы множества E) – соединениям блоков.

Поставим во взаимно  однозначное соответствие каждой вершине х Х вектор W (x)=(c_x, w_x, р_х), который определяет значения характеристик типового блока, соответствующего вершине х. Здесь c_x N – габариты, w_x M⁺ – масса, p_x Р⁺ – потребляемая мощность.

Обозначим через k число монтажных шкафов, в которые требуется распределить “электронную” начинку. Каждый шкаф имеет свой набор характеристик. Пусть C – критическая вместимость i-го шкафа,  
W – критическая масса i-го шкафа, P – критическая потребляемая мощность, i= .

Сформулируем задачу декомпозиции графа. Требуется определить разбиение множества вершин X графа G(X, E) на k подмножеств (X₁,..., X_k) таким образом, чтобы для подграфов G₁(X₁, E₁),..., G_k (X_k, E_k) выполнялись следующие ограничения:

, j= ; , j= ;

 

, j= .

Для решения рассматриваемого класса задач предлагается генетический алгоритм, дополненный специальными процедурами и операторами, в основе которых лежат эвристические подходы к построению структуры допустимых решений исходной задачи.

В заключение четвертой  главы рассмотрено математическое моделирование задачи диагностики технических неисправностей с помощью оптимизационных причинно-следственной и вероятностной моделей.

Пусть имеется некоторый технический или технологический объект, нормальное функционирование которого может быть нарушено одной или несколькими неисправностями, где D – конечное множество всех возможных неисправностей в объекте.

Каждая неисправность может быть охарактеризована совокупностью проявлений этой неисправности, где М – конечное множество всех возможных проявлений, которые могут иметь место, когда одна или более неисправностей присутствуют в объекте.