О необходимости применения SCADA систем в управлении технологическим процессом первичной переработки нефти на основе событийного моделирования

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

О необходимости применения SCADA систем в управлении технологическим процессом первичной переработки нефти на основе событийного моделирования

Лобанова В.А., Воронина О.А.

Уровень автоматизации и эффективности АСУ ТП, в том числе и нефтеперерабатывающего предприятия, повышается за счет использования современных информационных технологий, например, специальных инструментальных средств - SCADA-систем (Supervisory Control And Date Acquisition) [1, 3].

На предприятиях нефтепереработки управление структурой производственных потоков сырья и готового продукта направлено на изменение состава и состояний задействованного в технологическом процессе первичной переработки нефти технологического оборудования и связей между ними. Это управление является по сути логическим, а по существу - это управление по заранее определенному плану, заданному в виде конечного автомата. Эта группа задач управления слабо формализована и в системе управления лишь частично представляется событиями, параметрами и командами.

Модели управления параметрами потоков сырья лежат в основе конструкции оборудования, на их основе разрабатываются и настраиваются многочисленные регуляторы, защиты, блокировки и измерительные каналы, входящие в АСУ ТП нефтеперерабатывающего предприятия [2].

Уровень и объем автоматизации существующих и разрабатываемых АСУ ТП для предприятий первичной переработки нефти базируется на технологических алгоритмах, представляемых заказчиком и включающих в основном защиты, блокировки и контуры локального автоматического регулирования. Основные этапы выполнения задач закрепляются в регламенте, должностных инструкциях и неформальных действиях персонала. При таком подходе эффективность управления процессами в целом определяется квалификацией персонала: таким образом, оперативность и точность решения задач управления структурой потоков зависит от субъективного фактора. Следствием этого являются нарушения регламента и многочисленные потери в технологии, а в АСУ ТП НПП закладывается недостаточный уровень автоматизации управления.

Для устранения данного недостатка предлагается обобщенную структуру системы управления нефтеперерабатывающего предприятия проектировать на основе SCADA-системы (рис. 1).

Связь с процессами технологического объекта управления (ТОУ) выполняется системой автоматики. Верхний уровень системы реализует человеко-машинный интерфейс. Оператор, анализируя модель ТОУ, представленную в системе, как совокупность параметров и активных мнемосхем, воссоздает в своем сознании (неформальной базе данных - НФБД) фактическое состояние - конфигурацию материальных потоков сырья и нефтепродуктов в текущий момент времени. В соответствии с целью производства он формирует в НФБД параметры либо структуру доминирующего потока в следующий момент времени. По отличиям параметров и структуры текущих потоков оператор выбирает совокупность управляющих процедур, обеспечивающих преобразование текущей структуры потоков в требуемую. Затем выбранные процедуры (задачи) реализуются средствами SCADA-системы, при этом мнемосхемы интерфейса SCADA-системы лишь иллюстрируют точки «съема» данных, их динамику и точки «приложения» команд. Таким образом, выполнение схемы управления предполагает работу оператора с двумя базами данных: формальной и неформальной, отражаемой в знаниях персонала и должностных инструкциях. В деятельности оперативного персонала НФБД фактически является основной, более информативной (содержит потоки, их параметры, процессы), аккумулирует предыдущий опыт работы и в то же время, поскольку находится вне АСУ ТП, эффективность управления по ней целиком определяется квалификацией персонала (ее носителя).

Рисунок 1 - Обобщенная структура АСУ ТП НПП

Одной из задач, которую надо решить при внедрении SCADA-систем, является задача по разработке методологии событийного управления процессом первичной переработки нефти, основанной на обследовании текущего состояния структуры технологических потоков сырья и нефтепродуктов по их логической модели с использованием в механизмах управления структурой потоков принципа управления с обратной связью по отклонению текущего состояния структуры от требуемого. Таким образом, схема управления технологическим процессом первичной переработки нефти по этой модели позволит имитировать действия оперативного персонала. Для решения этой задачи необходимо разработать событийные модели компонентов структуры потоков, процессов и их функционирования.

При реализации системой потокового управления конечно-автоматного алгоритма физическое время заменяет поток событий от объекта и внешней среды, который и определяет такты. В событийной модели ТП первичной переработки нефти вводится система понятий, позволяющая структурировать поведение ТОУ как последовательность выполняемых работ с используемыми в этих работах ресурсами и получаемыми результатами, привязкой к этим работам значений соответствующих параметров продуктов, ресурсов и т.д.[1]

Модель агрегата (узла) предназначена для представления в АСУ ТП состояний арматуры и различного рода движителей (насосов, компрессоров и т.д.), преобразующих агрегатов, емкостей, скважин и т.п. и имитации их работы сменой состояний жизненного цикла агрегата, как функций команд и событий, поступающих на него.

Жизненный цикл агрегата (резервуара с нефтью) можно представить в виде графа, вершинами которого являются операции, выполняемые узлом над входным потоком нефти, и, собственно, состояния агрегата (работает/свободен, исправен/неисправен) между операциями. На рисунке 2 представлен пример жизненного цикла агрегата типа «вентиль».

Между вершинами операций («Слив, Налив», «Хранение») и вершинами состояний агрегата («Открыта», «Закрыта», «Неисправность») указаны сплошными стрелками команды, подаваемые от оператора на ТОУ. Пунктирными стрелками обозначены события, подтверждающие реакции объекта (показания датчиков) на выполнение команд. Черным кружком обозначено начальное состояние останова агрегата (режим хранения нефтепродуктов).

Рисунок 2 - Диаграмма жизненного цикла вентиля резервуара с нефтью

Для моделирования структуры нефтеперерабатывающего производства служит технологическая сеть (ТС). Моделью ТС объекта управления является неориентированный граф, вершины которого сопоставлены различного рода агрегатам (емкостям, насосам, сепараторам, печам, задвижкам, клапанам, пассивныем соединителям, разветвителяи-коллекторам и т.д.), а ребра моделируют продуктопроводы (трубопроводы), являющиеся пассивными элементами, соединяющими продуктовые входы и выходы агрегатов. При работе каких-либо ТП в составе сети ребра, соответствующие задействованным продуктопроводам, будут получать ориентацию (по направлению потока) и образовывать дуги.

Сложные производственные системы с потоковой технологией для обеспечения эффективного управления, обслуживания и других производственных задач структурируются на отдельные компоненты (установки, переделы, участки, технологические системы и т.п.). Как правило, разбиение осуществляется на основе специфики протекающих в них физических процессов трансформации продукта (материалов), топологии размещения оборудования и восприятия этого компонента как единого целого при управлении и обслуживании. На рисунке 3 приведен пример ТС одного из технологических процессов, протекающих на НПП.

Состояния жизненного цикла ТП представляют фазы его выполнения: проверка реализуемости, подготовка к выполнению (настройка узлов-агрегатов на требуемые операции, и запуск обеспечивающих процессов), выполнение технологического процесса в заданном режиме и разборка процесса при наступлении соответствующего события. Правила запуска и существования ТП удобно представлять в виде набора матриц, в которых для участвующих в ТП агрегатах (столбцы) проставлены разрешенные (необходимые) состояния для соответствующих режимов ТП (строки) или булевские условия реализуемости и готовности к работе данных агрегатов. Состав режимов работ для всех ТП на НПП одинаков: запуск, проверка выполнимости, работа, останов и реконфигурация ТП, т.е. изменение состояний входящих в них агрегатов. Соответственно и модель жизненного цикла для ТП на НПП будет иметь типовую структуру (рис.4).

Рисунок 3 - Технологическая сеть ТП получения дизельного топлива

Рисунок 4 - Диаграмма жизненного цикла модели типового ТП

производственный потоковый нефть автомат

В каждый конкретный момент времени все множество ТП первичной переработки нефти подразделяется на активные (работающие) и пассивные процессы. Подмножество активных ТП формируется в зависимости от состояния жизненного цикла конкретного процесса. Все процессы, находящиеся в данный момент в состояниях, отличных от начального (останов), относятся к активным.

Функционирование системы определяется в дискретные моменты времени, которые, по сути, являются номерами интервалов реального времени, причем таких, что внутри каждого интервала подмножество активных процессов не изменяется. В каждый момент времени в модель поступают данные о состояниях (положении) агрегатов и параметры потоков; и имеет место множество событий, инициируемое реальными агрегатами, компонентами системы управления и оперативным персоналом. Таким образом, состояние ТС в момент времени определяется состоянием всех ее агрегатов, входящих в активные ТП.

На каждом такте работы для всех агрегатов определяются вычисление переходов в их жизненном цикле, формирование нового кортежа состояний и формирование новых событий для агрегатов.

В соответствии с изменениями состояний агрегатов изменяются и состояния ТП, их включающих, т.е. происходит коррекция множества активных процессов. Таким образом, функционирование событийной модели структуры и процессов со стороны стороннего наблюдателя - это поток событий, последовательность отличающихся друг от друга множеств активных процессов и последовательность множеств состояний агрегатов сети.

Литература

1. Амбарцумян, А.А. Управление технологическими процессами на основе событийных моделей. [Текст] / А.А.Амбарцумян, Д.Л. Казанский. - АиТ, №10-11, 2001.

2. Воронов, А.А. Основы теории автоматизированного регулирования и управления [Текст] / А.А. Воронов. - М.: Энергоиздат, 1981, 303 ст.

3. Куцевич, Н.А SCADA-системы. Взгляд со стороны. [Текст]/ Н.А. Куцевич. - ЗАО "РТСофт", // "PCWeek", 1999, № 33.

Размещено на Allbest.ru