Автоматизація технологічного процесу абсорбційної осушки газу на базі нечіткої логіки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет „Львівська політехніка”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів

Автоматизація технологічного процесу абсорбційної осушки газу на базі нечіткої логіки

Борин Василь Степанович

Львів - 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Семенцов Георгій Никифорович, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, завідувач кафедри автоматизації технологічних процесів і моніторингу в екології

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Стоцько Зіновій Антонович, національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри

доктор технічних наук, професор, Гінзбург Михайло Давидович, НДПІ АСУ “Трансгаз” НАК “Нафтогаз України”, завідувач відділом

Провідна установа: Одеський національний політехнічний університет, Міністерство освіти і науки України, м. Одеса

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент Вашкурак Ю.З.

Анотація

Борин В.С. Автоматизація технологічного процесу абсорбційної осушки газу на базі нечіткої логіки.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів. - Національний університет „Львівська політехніка”, Львів, 2004.

Дисертаційна робота присвячена автоматизованому управлінню технологічним процесом абсорбційної осушки газу на базі нечіткої логіки.

Здійснено моделювання невизначеності знань експертів-технологів про процес абсорбційної осушки газу шляхом використання лінгвістичних змінних, що дозволило на основі технологічного регламенту і знань, отриманих від експертів-технологів, розробити логіко-лінгвістичну модель прийняття рішень для управління установкою абсорбційної осушки газу на основі набору логічних правил-продукцій.

Важливим науковим результатом даної роботи є вперше розроблена функціональна структура системи автоматизації процесу абсорбційної осушки природного газу на компресорних станціях магістральних газопроводів на базі цифрових пристроїв з нечіткою логікою, що призводить до підвищення якості регулювання за рахунок зниження похибки регулювання, підвищення швидкодії системи, зниження інтенсивності відмов системи, обробки і перетворення нечіткої інформації фаззі-регулятором.

Основні результати роботи знайшли промислове впровадження на компресорній станції Більче-Волицької дотискувальної компресорної станції Стрийського відділення підземного зберігання газу УМГ “Львівтрансгаз”, а також у навчальному процесі.

Ключові слова: автоматизація, осушка газу, невизначеність, логіко-лінгвістичні моделі, нечіткий регулятор, структура системи

Аннотация

Борин В.С. Автоматизация технологического процесса абсорбционной осушки газа на базе нечеткой логики.-Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов. - Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2004.

Работа посвящена вопросам автоматизированного управления технологическим процессом абсорбционной осушки газа на базе нечеткой логики.

Важным научным результатом этой работы есть впервые разработаная функциональная структура системы автоматизации процесса абсорбционной осушки природного газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов на базе цыфровых приборов с нечеткой логикой, что привело к повышению качества регулирования за сет снижения погрешности регулирования, повышения быстродействия системы, снижения интенсивности отказов системы, обработки и превращения нечеткой информации фаззи-регулятором.

Основные результаты работы нашли промышленное внедрение на Бильче-Волицкой дожимной компрессорной станции Стрийского отделения подземного хранения газа УМГ “Львовтрансгаз”.

Диссертация состоит из вступления, четырех разделов и приложений.

В первом разделе исследованы проблемы автоматизации установок абсорбционной осушки газа, проведено краткое описание абсорбционной установки, изложены этапы создания автоматизированных систем управления технологическим процессом абсорбционной осушки газа. Проведен краткий анализ нечетких математических моделей.

Второй раздел посвящен исследованию управляемого объекта. Создана детерминированная математическая модель абсорбера, учтены связи, которые существуют мужду тарелками и граничные условия. Доведена адекватность даной модели и установлено, что она не учитывает возмущение о наявности содержания влаги в газе на входе в абсорбер.

В третьем разделе разработано логико-лингвистические модели на установке колмплексной подготовки газа в условиях неопределенности, которые создано моделированием знаний экспертов-технологов путем использования лингвистичиских переменных. Создана структура автоматизированной системы управления процесом абсорбционной осушки газа. Детально исследован процесс обработки и превращения нечеткой информации при формировании нечетким регулятором управляючих воздействий.

Четвертый раздел посвящен технической реализации автоматизированной системы управления технологическим процессом абсорбционной осушки природного газа и анализу ее функционирования. Проведен сравнительный анализ и выбор инструментальных средств автоматической системы оперативно-диспетчерского управления.

Результаты исследований использованы в учебном процессе в робочих программах дисциплин: “Микропроцессорные и програмные устройства автоматизации”, “Програмное обеспечение компьютерно-интегрированых технологий”, “Цифровые системы автоматизации”, “Автоматизация технологических процессов нефтяной и газовой промышленности”, курсовых и дипломных проектов студентам специальности 7.092501 - “Автоматизированное управление технологическими процессами” в ИФДТУНГ (Акты от 3 июня 1998 года и 22 июня 2000 года).

Разработаны рекомендации для производственников по использованию разработаной автоматизированной системы управления процессом абсорбционной осушки природного газа, которые приняты для внедрения на Бильче-Волицкой дожимной компрессорной станции Стрийского отделения подземного хранения газа УМГ “Львовтрансгаз”. Ожидаемый економический эффект от внедрения состаляет 188000 гривен (Акт от 29 марта 2004 года).

Ключевые слова: автоматизация, осушка газа, неопределенность, логико-лингвистические модели, нечеткий регулятор, структура системы

Summary

Boryn V. Automation of technical process of absorption gas dewatering based on Fuzzy logic. - Manuscript.

This dissertation is done for getting academic degree of candidate of technical science, specialization 05.13.07 - Automation of technical processes. - National University “ Lviv Polytechnic University”, Lviv, 2004.

The thesis is dedicated to questions of automated control of technical process of absorption gas dewatering based on Fuzzy logic.

The important scientific result of this work is development of functional organization of automated system of the process of absorption gas dewatering on compressor plants of gas-mine pipelines based on digital devices with Fuzzy logic. The main consequences are: increasing of control quality due to reduction of error of adjustment, increasing of system performance, reduction of system failure rate, processing and transformation information by Fuzzy controller.

The main results of work found their industrial use in Bilce-Volica compressor plant “Lvivttransgas” and also in training process.

Key words: automatic, vagueness, logical and linguistic model, Fuzzy regulator, automated control, organization system

1. Загальна характеристика роботи

технологічний абсорбційний осушка

Актуальність теми. Україна має потужну систему експортних газопроводів, через яку тепер здійснюється транзит газу з Росії до країн Центральної та Західної Європи. Для збереження надійної роботи та конкурентноздатності газотранспортної системи впроваджується програма реконструкції компресорних станцій та лінійної частини, будуються нові газопроводи. Особлива увага приділяється осушці газу, оскільки відхилення вологості газу від норми веде до штрафних санкцій по відношенню до України. Осушка газу на компресорних станціях магістральних газопроводів є одним з основних технологічних процесів. Вона є достатньо складним неперервним технологічним процесом, який функціонує в умовах невизначеності.

Автоматизація процесів прийняття рішень та автоматичне управління такими складними багатозв'язаними об'єктами в умовах невизначеності пов'язана з відсутністю достатньо повних апріорних даних, а також з необхідністю застосування методів і засобів керування, які знижують ступінь невизначеності вхідної інформації. Рівень невизначеності визначається інтенсивністю нестаціонарних збурювальних впливів, точні кількісні характеристики яких важко, а інколи неможливо вимірювати в реальному часі, від складності математичної формалізації процесу абсорбційної осушки газу, від впливу людського фактора та суб'єктивності будь-яких оцінок і рішень людини-оператора при управлінні процесом осушки газу в інтерактивному режимі.

Існуюча система керування не дозволяє враховувати неповноту інформації, а також лінгвістичну невизначеність керуючих рішень, які приймаються оперативно-диспетчерським персоналом. Таким чином виникає необхідність в розробці і представленні в розпорядження диспетчера засобів аналізу ситуації з метою прийняття керуючих рішень. Динаміка і невизначеність технологічного процесу абсорбційної осушки газу роблять задачу керування досить складною. Бажану якість газу можна отримати тільки при повному інформаційному забезпеченні і оптимальному керуванні технологічним процесом.

З врахуванням цих особливостей процесу абсорбційної осушки газу випливає необхідність у побудові високоефективної системи автоматизованого управління і системи підтримки прийняття рішень з урахуванням умов невизначеності. Одним з можливих шляхів вирішення цієї задачі є застосування теорії нечітких множин, запропонованої професором Л.А. Заде, для синтезу структури системи і алгоритмів її функціонування.

Зусиллями українських та іноземних вчених Є.В. Бодянського, Ю.П. Кондратенка, А.П. Ладанюка, А.О. Лозинського, О.А. Лаврова, Н.Д. Панкратової, В.В. Різника, О.П. Ротштейна, Г.Н. Семенцова, Л.С. Ямпольського, R. Aliev, R. Hampel, E.H. Mamdani, D. Ruan, M. Sugeno, R. Takahashi, M. Wagenknecht, L.A. Zageh та ін. вже розв'язано багато задач, пов'язаних з теоретичним обгрунтуванням застосування нечіткої логіки для задач контролю і управління, в тому числі і для об'єктів нафтової і газової промисловості. Разом з тим, ще недостатньо розроблені методи і засоби автоматизації з обробкою нечіткої інформації в системі абсорбційної осушки газу, що функціонує в реальному часі.

Подальшого розвитку й удосконалення вимагають також алгоритми для пристроїв обробки нечіткої інформації, з метою підвищення їх точності та швидкодії для забезпечення можливостей реалізації управління і прийняття рішень в реальному часі. Отже, розробка системи автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки газу на базі нечіткої логіки є актуальною задачею, розв'язок якої дозволить підвищити ефективність цього процесу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок досліджень є складовою частиною тематичного плану Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу(ІФНТУНГ) і базується на результатах держбюджетної науково-дослідної теми Д-29/1 “Розробка методів синтезу нечітких інтелектуальних систем керування процесами осушки газів”, (№ держ. реєстр. в УкрНДІНТІ 0195U026326) та “Аналіз і синтез автоматизованих систем керування процесом буріння, видобування, транспортування і зберігання нафти і газу” (затверджена Науковою Радою ІФНТУНГ 24.09 2001 року, протокол № 5), які входять до координаційного плану „Наукові основи розробки нових технологій видобутку нафти і газу, газопромислового обладнання, поглибленої переробки нафти і газу з метою отримання високоякісних моторних палив, мастильних матеріалів, допоміжних продуктів і нафтохімічної сировини”. Вказаний план входить у національну програму “Нафта і газ України до 2010 року”. Роль автора у виконанні цих науково-дослідних робіт, як виконавця, полягає в уточненні, удосконаленні та розробці методичних підходів, моделей, структур щодо автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки природного газу на базі методів нечіткої логіки.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення ефективності управління технологічним процесом абсорбційної осушки газу на компресорних станціях магістральних газопроводів на основі розробки системи підтримки прийняття раціональних рішень з врахуванням зовнішніх збурень, невизначеності та обмежень на параметри об'єкта управління.

Досягнення вказаної мети вимагає вирішення таких логічно - пов'язаних задач:

1. Проаналізувати існуючі методи і засоби автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки газу та проаналізувати відомі теоретичні підходи, що покладені в основу їх побудови.

2. Створити теоретичні засади автоматизованого керування процесом абсорбційної осушки природного газу на компресорній станції магістрального газопроводу, які дозволяють теоретично обгрунтувати можливість удосконалення існуючої системи управління технологічним процесом абсорбційної осушки природного газу.

3. Здійснити моделювання невизначеності знань експертів-технологів про керування процесом абсорбційної осушки газу шляхом використання різних термів лінгвістичних змінних і удосконалити існуючу модель на основі набору логічних правил-продукцій.

4. Розвинути спосіб структурування знань, який враховує специфіку компресорних станцій магістрального газопроводу і дозволяє оперативно вибирати необхідну для рішення поточної задачі локальну базу знань.

5. Удосконалити відому та розробити нову функціональну структуру системи автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки природного газу.

6. Для управління технологічним процесом абсорбційної осушки природного газу синтезувати нечіткий регулятор, який забезпечить ефективне управління в широкому діапазоні зміни вологості природного газу на вході компресорної станції магістральних газопроводів.

Об'єктом дослідження є система автоматизованого управління установкою абсорбційної осушки природного газу(УАОПГ) на компресорних станціях магістральних газопроводів, що функціонує в умовах невизначеності та обмежень на параметри технологічного об'єкта управління.

Предметом дослідження є структура, програмно-технічні засоби, інформаційне та алгоритмічно-програмне забезпечення системи підтримки прийняття раціональних рішень для автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки природного газу на компресорних станціях магістральних газопроводів.

Методи дослідження. Аналіз основних режимів функціонування УАОПГ та дослідження взаємозв'язків параметрів і показників процесу осушки газу грунтуються на промислових експериментах та застосуванні методів теорії систем і системного аналізу; при розробці математичних моделей об'єкта управління застосовано методи математичного аналізу, експертних оцінок, теорії нечітких множин і нечіткої логіки; алгоритми та програмне забезпечення для корекції керуючих сигналів на виконавчому рівні системи підтримки прийняття рішень розроблені на основі теорії ідентифікації динамічних систем; розробка технічних засобів здійснювалась з використанням методів схемо- і системотехніки; імітацію подальшої поведінки системи підтримки прийняття рішень проведено з використанням програмного пакету TRACE MODE.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

Вперше:

- створено теоретичні засади автоматизованого управління процесом абсорбційної осушки природного газу на компресорній станції магістрального газопроводу, які включають детерміновану математичну модель керованого об'єкта, яка не враховує збурення по вмісту вологи в газі на вході в абсорбер, і логіко-лінгвістичні моделі, що побудовані на нечітких правилах-продукціях, що дало змогу врахувати дане збурення;

- доведена адекватність даних моделей і необхідність використання їх для автоматизованого керування процесом абсорбційної осушки газу замість складних нелінійних моделей;

- здійснено моделювання знань експертів-технологів про процес осушки газу шляхом використання лінгвістичних змінних, що дозволило на основі технологічного регламенту і отриманих від експертів-технологів знань розробити логіко-лінгвістичну модель прийняття раціональних рішень для управління установкою абсорбційної осушки газу на основі набору логічних правил-продукцій;

- розроблена логіко-лінгвістична модель метазнань, яка додатково враховує всі технологічні параметри установки абсорбційної осушки природного газу і забезпечує оперативно-диспетчерському персоналу при наявності інформації про передаварійні ситуації можливість вибирати необхідну для рішення поточної проблеми локальну модель представлення знань і дозволяє розв'язувати основні виробничі задачі, які впливають на ефективність процесу осушки газу.

Отримав подальшого розвитку принцип структурування знань, який здійснено розбиттям глобальної бази знань на декілька локальних, кожна з яких орієнтована на вирішення певної задачі для конкретного типу обладнання установки абсорбційної осушки газу, зокрема в структуру глобальної бази знань включено блок метазнань, який забезпечує можливість оперативно вибирати необхідну для рішення поточної задачі локальну базу знань.

Удосконалено функціональну структуру системи автоматизації процесу абсорбційної осушки газу, яка, на відміну від структури оперативно-диспетчерського управління діючої установки, містить базу знань, блок нечіткого логічного висновку, діалоговий інтерфейс користувача, архів даних і підсистему отримання знань, що здатні формувати керуючі та інформаційні сигнали, які задані базами правил-продукцій.

Практичне значення одержаних результатів.

1. На основі синтезованих схемотехнічних рішень та структур цифрових пристроїв на нечіткій логіці і нечітких контролерів, розроблена система автоматизованого управлінння і система підтримання прийняття рішень для розв'язання задач управління процесом абсорбційної осушки газу в умовах невизначеності. Для управління процесом синтезовано нечіткий контролер на базі SCADA-системи TRACE MODE, що забезпечує ефективне управління процесом абсорбційної осушки газу в широкому діапазоні зміни вологості природного газу на вході компресорної станції.

2. Розроблено демонстраційний прототип системи автоматизації процесу абсорбційної осушки газу, який випробувано на установці підготовки природного газу Долинської компресорної станції УМГ “Прикарпаттрансгаз” та Більче-Волицької дожимної компресорної станції Стрийського відділення управління підземного зберігання газу УМГ “Львівтрансгаз”. Отриманий економічний ефект від використання системи автоматизації складає 188 тис. грн. в цінах 2003 року (Акт від 29 березня 2004 року).

3. Результати досліджень впроваджені в навчальному процесі в дисциплінах: „Автоматизація неперервних технологічних процесів”, „Мікропроцесорні та програмні засоби автоматизації”, ”Програмне забезпечення комп'ютерно-інтегрованих технологій”, ”Цифрові системи автоматизації”, ”Автоматизація технологічних процесів нафтової і газової промисловості”, курсових і дипломних проектів студентами спеціальності 7.092501-“Автоматизоване управління технологічними процесами” в ІФДТУНГ (Акти від 03 червня 1998 року та 22 червня 2000 року).

4. Розроблені рекомендації для виробничників по використанню розробленої автоматизованої системи управління керування процесом абсорбційної осушки газу, які прийнятті для впровадження на Долинській компресорній станції УМГ “Прикарпаттрансгаз”.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати та положення дисертаційної роботи одержані автором самостійно. В роботі [1] автор розробив правила для створення нечіткого регулятора на основі лінгвістичних формулювань експертів, у роботі [7] розробив логіко-лінгвістичну модель прийняття рішень на абсорбційній установці.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на 3-й Українській конференціі з автоматичного керування „Автоматика-96” (м.Севастополь, 1996); міжнародній науково-технічній конференції присвяченій 50-річчю Уфимського газо-нафтотехнічного університету „Проблемы нефтегазового комплекса России” (м. Уфа, 1998); 6-й міжнародній конференції „Нафта і газ України” (м. Івано-Франківськ, 2000); 7-ї міжнародної конференції „Нафта і газ України” (м. Київ, 2002); 2-й міжнародної науково-практичної конференції “Динаміка наукових досліджень'2003” (м. Дніпропетровськ, 2003); 7-й міжнародній науково-практичній конференції “Наука і освіта'2004” (м. Дніпропетровськ, 2004); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ІФНТУНГ (м. Івано-Франківськ, 1997, 1998); науковому семінарі кафедри автоматизації технологічних пресів та моніторингу в екології національного технічного університету нафти і газу (протокол № 1 від 15 липня 2004 року).

Публікації. Основні результати дисертації - 8 статей (6 статей одноосібних), які опубліковані у фахових виданнях, тез 8 доповідей на наукових Всеукраїнських та міжнародних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літератури та додатків. Робота виконана на 142 сторінках машинописного тексту, містить 31 рисунок, 12 таблиць, 4 додатки та список використаних джерел з 103 найменувань. Загальний об'єм дисертації 145 сторінок.

2. Основний зміст роботи

У вступі розкрита сутність і стан наукової задачі та її значущість, підстави і вихідні дані для розробки теми, необхідності проведення досліджень, обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, викладено зв'язок вибраного напрямку досліджень з науковими програмами, планами, темами, сформульована мета і задачі досліджень, подані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, визначений особистий внесок здобувача і дана інформація про апробацію результатів дисертації.

У першому розділі досліджено сучасний стан проблеми автоматизації УАОПГ, приведено короткий опис установки, характерні технологічні особливості процесу осушки газу і його аналіз як керованого об'єкта. Сировиною для установки є природний газ, продукція - осушений природний газ з необхідною глибиною осушки.

Наведені загальні відомості про технологічний процес абсорбційної осушки газу як керований об'єкт. Показано, що в процесі підготовки газу до подальшого транспортування його в Західну Європу основну роль відіграє установка комплексної підготовки газу(УКПГ), рівень автоматизації якої зумовлює ефективність самого процесу осушки природного газу.

Проведено огляд літературних джерел з питань автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки природного газу на компресорних станціях магістральних газопроводів, тенденцій розвитку систем управління та вибрано напрямок досліджень. Проведений аналіз показав, що в Україні і за кордоном питанням автоматизації технологічних процесів абсорбційної осушки газу на компресорних станціях магістральних газопроводів надається велика увага. Над вирішенням цієї наукової проблеми працюють фірми України, Росії, США, Канади та ін.

На основі аналізу літературних джерел і тенденцій світової автоматики визначено, що у зв'язку з розвитком методів штучного інтелекту і удосконаленням програмних і технічних засобів обчислювальної техніки з'являється можливість організації нового підходу до розробки систем управління. Такий підхід базується на інтелектуалізації системи управління, що дозволяє адекватно моделювати технологічні процеси в умовах невизначеності, використовувати знання і виробничий досвід висококваліфікованих спеціалістів для прийняття керуючих рішень.

З'ясовано, що класичні методи теорії оптимального керування важко застосувати для вирішення задач управління в умовах невизначеності, оскільки вимагалась висока точність моделювання, що неможливо досягнути на практиці.

Проведений аналіз існуючих методів і засобів автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки газу показав, що на даний час відсутні високоефективні системи автоматичного управління процесу абсорбційної осушки газу та відповідного алгоритмічного та програмного забезпечення, які забезпечують автоматизоване управління цим процесом з високою вірогідністю і швидкодією в умовах невизначеності процесу осушки природного газу, що вимагає безпосередньої участі людини-оператора в управлінні процесом осушки газу з виконанням функцій поточного контролю та формування керуючих рішень.

Відзначено, що у зв'язку з розвитком методів теорії нечітких множин і нечіткої логіки створюється можливість організації нового підходу до розробки систем автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки газу, який полягає в застосуванні нечіткої логіки для розв'язання наукової задачі автоматизованого управління процесом абсорбційної осушки газу в умовах невизначеності цього процесу і створенні інтелектуальних систем управління, спроможних працювати з лінгвістичною невизначеною інформацією. Особливістю таких систем є те, що модель і механізм логічного висновку є окремими частинами, що дає можливість удосконалення моделі або її заміни без зміни логічного висновку.

В цьому розділі викладені етапи створення автоматизованої системи керування технологічним процесом абсорбційної осушки газу: виявлення знань, представлення знань, використання знань. Зокрема виявлення і представлення знань відповідає процесу моделювання, а використання знань - процесу прийняття рішень. Проведений аналіз дозволив зробити висновок, що відомі детерміновані математичні моделі не забезпечують опис виробничої ситуації з тою адекватністю, яка досягається при імітаційному моделюванні, яке базується на знаннях. Зроблено також висновок, що УКПГ на компресорних станціях магістральних газопроводів потребують удосконалення, яке може бути здійснено з використанням методів теорії нечітких множин. На основі аналізу існуючого рівня автоматизації сформульоване основне коло завдань, що розв'язуються в напрямку розробки системи підтримки прийняття рішень для підвищення ефективності технологічного процесу осушки природного газу на основі розширення її функціональних можливостей, розробки нечіткої математичної моделі, алгоритмічно-програмного забезпечення тощо.

Другий розділ присвячений дослідженню керованого об'єкта, яким вибрано абсорбційну тарілчату колону, яка має продуктивність 5 млн. м³/ добу.

Процес абсорбції як об'єкт математичного моделювання схематично зображено на рис.1. Індексами а позначено стан газу і абсорбенту при їх вході в абсорбер, а е - при виході із нього. Абсорбент - це диетиленгліколь, масова концентрація якого не нижча 9999,5%. Контакт газу, що підлягає осушенню, з абсорбентом відбувається на тарілках.

Вхідними величинами об'єкта є:

тиск Р_а на вході в абсорбер, Па;

концентрація води в газі Y_а, що поступає в абсорбер, кгмоль/ кгмоль;

концентрація води в абсорбенті Х_а - при вході в абсорбер, кгмоль/ кгмоль;

навантаження газу на абсорбер М_G,а, моль/с; температура газу, що поступає в абсорбер, К,

а вихідними - тиск Р_е на виході із абсорберу (перепад тисків для насадкових абсорберів), Па; концентрація води в газі Y_е на виході із абсорберу, кгмоль/ кгмоль; концентрація води Х_е в абсорбенті, що покидає установку, кгмоль/ кгмоль; відбір газу із абсорберу М_G,е, моль/с.

Створена математична модель для і-ої тарілки. Отримані результати моделювання дали змогу записати лінеаризовану математичну модель тарілки у такому вигляді:

, (1)

, (2)

,(3)

, (4)

,

.

Систему диференційних рівнянь (1)-(4), яка описує динаміку і-тої тарілки, подано в матрично-векторній формі

, (5)

де ; - матриці, складені із коефіцієнтів при вхідних та вихідних змінних відповідно;

,

із якої можна визначити

,

де - матриця передачі і-тої тарілки.

Система диференційних рівнянь (1)-(4) подає лінеаризовану математичну модель і-тої тарілки в просторі станів, координатами якого є змінні а співвідношення в еквівалентній формі - в формі матричної функції передачі.

Для отримання моделі абсорберу в цілому враховано зв'язки, які існують між тарілками, і граничні умови. Нумерація тарілок ведеться зверху вниз, то на першу тарілку поступає газ в кількості моль/с і вмістом вологи в газі молькг/ молькг; знизу абсорберу відбирається відпрацьований абсорбент концентрацією молькг/ молькг. Із N-ої (останньої) тарілки відбирається осушений газ, витрата якого моль/с і вмістом вологи молькг/ молькг; а на верхню тарілку поступає абсорбент концентрацією молькг/молькг. Оскільки в лінеаризовану модель тарілки входять величини, які відраховуються від їх усталених значень, то граничні умови для математичної моделі (1)-(4) будуть мати такий вигляд:

для першої тарілки

; (6)

для N-ої (останньої) тарілки

. (7)

Взаємозв'язки між вхідними і вихідними величинами абсорберу знайдено шляхом розв'язку системи рівнянь (1)-(4) спочатку для першої тарілки з початковими умовами (6); потім отримані результати використано як початкові умови для другої тарілки і т.д. аж до N-ої тарілки включно. Такий поелементний спосіб опису динамічних властивостей абсорберу наштовхується на певні труднощі, пов'язані з тим, що концентрації води задаються на протилежних кінцях колони.

З практичної точки зору найбільший інтерес викликає динаміка колони відносно вхідних і вихідних величин. В такому випадку матрицю передачі і-тої тарілки отримано із матриці W_i(р) шляхом вилучення першого стовбця і першої лінійки. В результаті отримано алгоритмічну структуру колони, як це показано на рис. 1.

Рис. 1. Алгоритмічна структура абсорбційної колони

Кожну тарілку можна розглядати як багатомірну ланку з векторним входом і векторним виходом . Динамічні властивості такої ланки характеризуються матрицею передачі W_i(р). Оскільки ланки з'єднані послідовно, то динаміка колони опишеться системою матричних рівнянь:

, ;

, ; (8)

......................................................

, ; .

Вилучаючи із (8) всі проміжні змінні, крім і , отримаємо матричну функцію передачі.

, (9)

яка однозначно визначає лінеаризовану модель абсорбційної колони.

Для перевірки моделі на адекватність була використана структурна схема першої тарілки абсорбера, на другий вхід якої подавалось збурення у вигляді одиничного вхідного сигналу (оскільки другий вхід відповідає сигналу про зміну вологовмісту газу, а це є основний параметр контролю на установці), і після цього досліджувались вихідні сигнали на чотирьох виходах тарілки, які відповідають вологовмісту ДЕГу, вологовмісту газу, витраті газу і тиску в апараті.

Третій розділ присвячено розробці логіко-лінгвістичних моделей на УКПГ в умовах невизначеності. Розроблена система вирішує три задачі: управління процесом абсорбційної осушки газу, попередження аварійних ситуацій та вибір режиму роботи установки. Для створення експертної системи у експертів-технологів були отримані необхідні знання, які формалізовані у вигляді логічних правил-продукцій і завантажені в базу знань(БЗ) системи.

У зв'язку з тим, що досвід і знання експертів є суб'єктивними і такими, що важко піддаються формалізації, а також у зв'язку з їх лінгвістичною невизначеністю, для представлення знань була використана теорія нечітких множин. Найбільш складною проблемою при побудові експертної системи є лінгвістична невизначеність знань експертів, коли їх неможливо описати кількісно, користуючись відомими детермінованими методами. З іншого боку при розв'язку задачі оперативно-диспетчерського управління процесом осушки газу невизначеність пов'язана ще з похибками вимірювання параметрів технологічного процесу, невизначеністю термів, невпевненістю експертів в своїх висновках, а також нечіткістю способу представлення знань. У зв'язку з цим невизначеність ввели в рамки продукційної моделі прийняття рішень. Здійснено моделювання невизначеності шляхом використання термів лінгвістичних змінних: „нижче норми”, „норма”, вище норми” для тиску газу, „низька”, „середня”, „висока” для температури газу і т.п.

Аналіз результатів дослідження моделі представлення знань у вигляді продукцій показав, що для вирішення проблеми автоматизованого управління процесом абсорбційної осушки газу в умовах невизначеності необхідно модифікувати продукційну модель в логіко-лінгвістичну модель(ЛЛМ).

На першому етапі побудови нечіткої моделі були відокремлені головні лінгвістичні змінні: вологість, тиск, витрата газу на вході, витрата ДЕГу на вході, температура точки роси на виході з абсорбера. Потім визначались нечіткі множини, що описуються поняттями „норма”, „вище норми”, „нижче норми” і т.п., і відповідаючі їм носії нечітких множин.

Логіко-лінгвістична модель по контролю стану установки виконана у вигляді набору логічних правил-продукцій, що визначають суб'єктивну оцінку діапазонів на основі знань, досвіду і інтуїції експертів-технологів (опитано 5 експертів).

В результаті аналізу визначено, що для таких об'єктів, як УКПГ, найбільше раціонально використати продукційні моделі. Множина правил-продукцій, яка завантажується в БЗ, являє собою апріорні знання про предметну область і формується експертом на основі його досвіду і інтуїції з використанням логічних операторів І, АБО, НІ та імплікації “ЯКЩО...ТО...”. Сукупність правил має таку структуру:

лінгвістичне формулювання експерта для вологості газу:

1) ЯКЩО вологість газу дуже низька, ТО потрібно припинити подачу газу в абсорбер АБО припинити подачу ДЕГу в абсорбер;

2) ЯКЩО вологість на середньому рівні ТО регулювання не потрібне;

м₁ - вологість дуже низька;

м₂ - вологість газу на середньому рівні;

Р₁ - припинити подачу газу в абсорбер;

Р₂ - припинити подачу ДЕГу в абсорбер;

Р₃ - регулювання не потрібне;

логічні правила продукції:

R₁: ЯКЩО Х₁є м₁ ТО У₁єР₁ АБО У₁єР₂;

R₂: ЯКЩО Х₁є м₂ ТО У₁єР₃,

де Х₁;У₂ - лінгвістичні змінні.

Простота і наочність цього способу зумовили застосування його в системі, що розробляється. Коли поточна виробнича ситуація на установці узгоджується з умовою ЯКЩО, то виконуються дії, які визначаються заключною частиною ТО, або ІНАКШЕ. Послідовність дій, яка веде до необхідного результату, створюється ланцюгом виведення.

Модульність, можливість нарощування логічних правил, зручність модифікації, здібність БЗ пояснювати прийняті рішення показали, що продукційні моделі найбільш підходять до розв'язку задач оперативно-диспетчерського управління процесом абсорбційної осушки газу. Управлінські рішення грунтуються на глобальній базі знань (ГБЗ) і приймаються у відповідності зі стратегією управління системи, що реалізується у блоці логічного виводу (БЛВ).

Розроблено логіко-лінгвістичну модель метазнань, яка дозволяє при наявності інформації про проблемні параметри вибрати необхідну локальну модель представлення знань для вирішення поточної проблеми.

З урахуванням характеру задач, що розв'язуються на УКПГ і форми взаємодії з технологічним процесом, запропонована і розроблена структура інтелектуальної системи.

Запропонована структура не є автономно функціонуючим програмним продуктом, а розроблена як інтелектуальна надбудова для існуючої на УКПГ системи оперативно-диспетчерського управління. Основним елементом системи є база знань (БЗ). Вона містить нечітку продукційну модель, в якій виробляються закономірності, які характерні для процесу абсорбційної осушки газу, а також знання досвідчених технологів. БД містить поточні дані про технологічний процес. БЛВ реалізує процедуру виведення в інтелектуальній системі управління. БЗ і БЛВ визначають здатність зберігати знання і спроможність оперувати ними. При створенні системи управління значні зусилля і час витрачаються на розробку БЗ, тобто на накопичення знань, визначення моделі їх представлення, структурування, заповнення БЗ і підтримки її в актуальному стані. При створенні БЗ враховувались наступні особливості установки абсорбційної осушки газу: наявність відносно незалежних блоків обладнання, динамічність функціонування, швидке оновлення великих масивів вимірювальних даних, які характеризують технологічних процес осушки природного газу. БЗО забезпечує зв'язок інтелектуальної системи управління з технологічним процесом абсорбційної осушки газу. БПіВР формує результат рішення задачі керування, а також текст пояснення на основі даних БЛВ і містить інформацію про те, які продукції і в якій послідовності були запущені. БК дозволяє експерту здійснити вивід на дісплей, перегляд і коректування правил в БЗ. Сеанс роботи з системою управляння починається з виводу поточних даних про стан технологічного процесу осушки газу. Дані можуть вводитися як безпосередньо з пульта оператора так і від давачів, розташованих на об'єкті. Значення технологічних параметрів поступають через БЗО в БД і відображаються на дисплеї користувача.

Використовуючи поточні дані з БД і правила-продукції з БЗ, БЛВ визначає варіанти управління. Результат вирішення задачі управління через БПіВР відображається на дісплей користувача. Завдання на управління установкою поступає через БЗО на цифро-аналогові перетворювачі(ЦАП) і через відповідні перетворювачі на виконавчі механізми. Якщо отримане рішення не задовільняє оператора, то він вносить необхідні на його думку корективи в параметри управління. БК дозволяє експерту здійснювати модифікацію правил, якщо виникає в цьому потреба в результаті змін режиму роботи установки протягом тривалого часу, зміни якості газу і т.п. Зміна і доповнення правил здійснюється за допомогою текстового редактора.

В роботі запропоновано оригінальний метод структурування знань, який дозволяє експертній системі ефективно працювати в реальному часі, оскільки суттєво прискорюється процес прийняття рішень. Сутність методу полягає в тому, що БЗ у відповідності з специфікою об'єкта управління розбита на незалежні блоки, кожен з яких дозволяє розв'язувати конкретну задачу (контроль, управління і т.п.) для УКПГ. Отже, глобальна база знань(ГБЗ) структурно складається з декількох БЗ, які в свою чергу містять блоки логічних правил(БЛП) і блоки нечітких даних(БНД). БЛП являє собою модель знань або логічні правила, що відображають технологічний регламент функціонування УКПГ, БНД містить в собі нечіткі факти і дані, що відображають хід технологічного процесу осушки газу.

При розробці методу враховували, що при великому обсязі знань можуть виникнути труднощі у оперативно-диспетчерського персоналу по вибору тієї локальної бази знань(ЛБЗ), яка безпосередньо приймає участь у формуванні рішення по управлінню. У зв'язку з цим запропоновано використати метазнання(БМЗ), тобто знання системи про себе, про свою структуру і свою роботу. БМЗ включений додатково в структуру ГБЗ. Він дозволяє при зміні режимів роботи УКПГ, виникненні пошкоджень обладнання, або виході будь-якого технологічного параметра за межі допустимих значень, вибирати потрібну для розв'язку проблеми ЛБЗ. При створенні БЗ зроблено аналіз способів подання знань, що грунтуються на використанні продукцій, фреймів, семантичних сіток, логіки предикатів першого порядку.

Детально досліджено процес обробки та перетворення нечіткої інформації при формуванні нечітким регулятором керуючих сигналів. Для синтезу нечіткого регулятора, що базується на знаннях, проаналізовано методи представлення стратегій управління на основі теорії нечіткої логіки, існуючі алгоритми функціонування та можливі шляхи їх покращення. Обгрунтовано, що використання фаззі-регулятора повинно базуватись на синтезі алгоритмів функціонування для фаззифікації якісних сигналів на основі апріорного формування аналітичних залежностей, що визначають перетин функції належності, лінгвістичних термів та функцій належності нечітких вхідних сигналів; використанні сучасних методів дефаззифікації для підвищення точності нечіткого контролера; оптимізації структури обчислювальних алгоритмів з метою виключення проміжних етапів перетворення нечіткої інформації.

Четвертий розділ присвячений технічній реалізації автоматизованої системи управління технологічним процесом абсорбційної осушки газу і аналізу її функціонування. Здійснено порівняльний аналіз і вибір інструментальних засобів автоматизованої системи оперативно-диспетчерського управління.

Автоматизована система управління технологічним процесом абсорбційної осушки газу вирішує наступні задачі:

- забезпечення персоналу установки оперативною вірогідною інформацією. Для цього здійснюється збір і первинна обробка інформації, яка одержана з установки, і реєстрація технологічних параметрів режиму осушки;

- управління установкою, розрахунок параметрів режиму технологічного процесу, а також стабілізація номінального режиму.

Аналіз вимог до функціонального призначення системи дозволив розробити функціональну схему системи управління (рис.6). Вона представлена як децентралізована дворівнева, що функціонує на підставі алгоритму вибору номінального режиму і реалізує безпосереднє цифрове управління на нижньому і верхньому рівнях.

Розглянуто широкий спектр технічних засобів, що використовуються для реалізації автоматизованих систем оперативно-диспетчерського управління. З урахуванням технічних і економічних характеристик технічних засобів визначено, що для установки абсорбційної осушки газу найбільш підходить реалізація розробленої системи управління на персональному комп'ютері.

На нижньому рівні вирішуються задачі збору і обробки первинної інформації. В результаті розв'язку задачі формуються значення технологічних параметрів, які зберігаються на зовнішньому носії персонального комп'ютера. Перероблена інформація про стан об'єкта використовується при вирішенні задачі управління. Номінальні значення параметрів управління процесом осушки газу, які визначені, підтримуються системою безпосереднього цифрового керування.

На верхньому рівні вирішується задача управління процесом абсорбційної осушки газу за допомогою SCADA-системи TRACE MODE. Розроблена база каналів та проведено налаштування кожного каналу, графічна частина вузла проекту та створено автоматизоване робоче місце оператора, за допомогою монітора реального часу. Розроблено СПАД-архів за допомогою ODBC інтерфейсу, та проведена робота з базами даних в Microsoft Excel. Також представлена реалізація нечіткого регулятора за допомогою FBD-програми та здійснено підключення Fuzzy-регулятора до каналу регулювання температури точки роси осушеного природного газу на виході з абсорбера.

При виконанні експериментів здійснена перевірка працездатності автоматизованої системи, яка підтвердила ефективність її використання при вирішенні поставлених у дисертаційній роботі задач. Використання розробленої системи автоматизованого управління процесом абсорбційної осушки газу на діючій установці в умовах Долинської компресорної станції показало ефективність моделей, програм і системи в цілому, що підтверджується актом впровадження.

Для створення автоматизованого робочого місця оператора, та для узгодження роботи “Редактора бази каналів” та “Редактора представлення даних” використано “Монітор реального часу”(МРЧ), який складається з двох компонентів:

сервер математичної обробки;

графічна консоль.

Сервер математичної обробки реалізує функцію перерахунку бази каналів, обробки даних і управління, зв'язку з віддаленими МРЧ по мережі і через модеми. Крім цього він реалізує функції обміну з базами даних та іншим програмним забезпеченням, здійснює архівування і зчитування даних з архівів.

Графічна консоль реалізує функції людино-машинного інтерфейсу. Цей модуль запрошує дані у сервера математичної обробки, для їх відображення і передає зворотньо команди управління, які сформовані оператором.

Для того, щоб можна було спостерігати за зміною технологічного параметра в часі в роботі було розроблено перехід на вікно “Графік”, яке відображає виміряну величину. На кожному графічному вікні, з метою оперативного контролю за ходом технологічного процесу зроблено перехід на інші вікна візуалізації роботи установки.

Ефективність впровадження системи визначена такими показниками як забезпечення необхідної глибини осушки природного газу, зменшення ймовірності виникнення аварій на установці, підвищення надійності системи.

У висновках сформульовані основні результати досліджень, викладених у дисертаційній роботі.

Висновки

У дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової задачі, що полягає у вдосконаленні системи автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки природного газу з урахуванням апріорної невизначеності технологічного процесу і при цьому отримані наступні результати:

1. На підставі результатів аналізу встановлено, що відсутність ефективного методу автоматизованого керування, на основі якого можна було б забезпечити оптимальну ступінь осушки природного газу, призводить до виникнення проблем з якістю осушеного газу через нестачу інформації, яка відображає ступінь осушки газу в реальному часі. Для їх розв'язання необхідним є створення ефективної системи автоматизації процесу осушки газу в умовах невизначеності шляхом використання сучасних ефективних методів управління, що базуються на методах теорії нечітких множин і нечіткої логіки, які адаптовані до умов функціонування компресорних станцій магістральних газопроводів.

2. Для рішення задачі автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки газу на компресорній станції магістрального газопроводу вперше створено теоретичні засади автоматизованого керування цим процесом, які включають узагальнену математичну модель керованого об'єкту і логіко-лінгвістичні моделі, що побудовані на нечітких правилах-продукціях. Доведена адекватність даних моделей і необхідність використання їх для автоматизованого керування процесом абсорбційної осушки газу замість складних нелінійних моделей, що забезпечує підвищення техніко-економічних показників процесу осушки природного газу.

3. Вперше здійснено моделювання невизначеності знань експертів-технологів про процес абсорбційної осушки газу шляхом використання лінгвістичних змінних: „низька”, „середня”, „висока”, для вологості газу, „нижче норми”, „норма”, „вище норми” для тиску і т.п., що дозволило на основі технологічного регламенту і знань, отриманих від експертів-технологів, розробити логіко-лінгвістичну модель прийняття рішень для управління установкою абсорбційної осушки газу на основі набору логічних правил-продукцій.

4. На базі методів теорії нечітких множин і нечіткої логіки вперше розроблена логіко-лінгвістична модель метазнань, яка дозволяє оперативно-диспетчерському персоналу при наявності інформації про аварійні параметри вибирати необхідну для рішення поточної проблеми локальну модель представлення знань і дозволяє розв'язувати основні виробничі задачі, які впливають на ефективність процесу осушки газу.

5. Отримав подальшого розвитку спосіб структурування знань, який враховує специфіку компресорних станцій магістрального газопроводу. Суть способу полягає в розбитті глобальної бази знань на декілька локальних, кожна з яких орієнтована на вирішення певної задачі для конкретного типу обладнання установки абсорбційної осушки газу. Зокрема в структуру глобальної бази знань включено блок метазнань, який дозволяє оперативно вибирати необхідну для рішення поточної задачі локальну базу знань.

6. Удосконалена відома та розроблена нова функціональна структура системи автоматизації процесу абсорбційної осушки газу, яка, на відміну від структури оперативно-диспетчерського управління на діючій установці, містить базу знань, блок нечіткого логічного висновку, діалоговий інтерфейс користувача і підсистему придбання знань, що здатні формувати керуючі та інформаційні сигнали на основі стратегій, заданих лінгвістичними базами правил.

7. На основі схемотехнічних рішень, структур цифрових пристроїв та на базі створеного нечіткого регулятора розроблена система автоматизованого управління і система підтримки прийняття рішень для розв'язання задач управління процесом абсорбційної осушки природного газу в умовах невизначеності. Для управління процесом синтезовано нечіткий регулятор на базі SCADA-системи TRACE MODE, що забезпечує ефективне управління процесом абсорбційної осушки газу в широкому діапазоні зміни вологості природного газу на вході компресорних станцій магістральних газопроводів.

Розроблено демонстраційний прототип системи автоматизації процесу абсорбційної осушки газу, який випробувано на установці підготовки газу Долинської компресорної станції УМГ „Прикарпаттрансгаз”.

Розроблені метод і структуру системи автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки газу можна рекомендувати для автоматизації стаціонарних автомобільних газонаповнювальних компресорних станцій на АГНКС, що значно розширює можливість практичного застосування результатів роботи.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Семенцов Г.Н., Борин В.С. Автоматичне керування процесом абсорбційної осушки газу на базі нечіткої логіки// Вісник Технологічного університету Поділля.- 2002.- Том 1.-С. 177-181.

2. Борин В.С. Розробка правил умовного логічного виводу для інтелектуальної системи керування процесом абсорбційної осушки газу// Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Технічна кібернетика та електрифікація об'єктів паливно-енергетичного комплексу. Вип. 37(6). -Івано-Франківськ. Факел.-2001.-С. 32-38.

3. Борин В.С. Система збору інформації технологічного процесу абсорбційної осушки газу// Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Технічна кібернетика та електрифікація об'єктів паливно-енергетичного комплексу. Вип. 36(6).-Івано-Франківськ. Факел.-1999.-С. 40-46.

4. Борин В.С. Математичний опис задачі автоматизованого керування процесом абсорбційної осушки газу// Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Технічна кібернетика та електрифікація об'єктів паливно-енергетичного комплексу. Вип. 35(6).-Івано-Франківськ. Факел.-1998.-С. 46-50.

5. Борин В.С. Інтелектуальна система керування процесом абсорбційної осушки газу//Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. № 3. -Хмельницький. - 1998. -С. 160-162.

6. Борин В.С. Алгоритмізація задачі інтелектуального автоматизованого керування процесом абсорбційної осушки газу// Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Технічна кібернетика та електрифікація об'єктів паливно-енергетичного комплексу. Вип. 34(6). -Івано-Франківськ. Факел.-1997.-С. 64-67.

...