1 стр. из 1

В последние годы ускоренными темпами увеличивается потенциал российских компаний неф­тегазового комплекса, появляются новые инвестиционные проекты по разведке и добыче углеводородов, расширяются рынки сбыта российской нефти и газа, совершенствуется и развивается трубопроводный транспорт, резервуарный парк хранилищ нефти, нефтепродуктов и сжиженного газа, ряд крупных компаний создают свой собственный транспортный флот, строятся новые порты по перевалке углеводородов.

Продукция НГК должна быть конкурентоспособной на внутреннем и внешнем товарных рынках. В этой связи, как за рубежом, так и в России понимают необходимость использования современных технологий на различных уровнях управления НГК и особенно на самом нижнем — уровне технологических процессов. Эффективное управление позволит повысить качество продукции и уменьшить общие затраты.

Настоящая статья посвящена опыту НПО «Автоматизация машин и технологий (АМТ)» по разработке на основе современных информационных технологий нового поколения средств автоматизации технологическими процессами — самоорганизующихся систем управления.

Технологические процессы в НГК условно можно разделить на процессы добычи и транспортировки нефти и газа, их подготовки и переработки, при этом они могут быть непрерывными и дискретными. Обратимся к автоматизированным системам управления непрерывными технологическими процессами (АСУ ТП), которые особенно распространены на НПЗ и существенно влияют на степень и качество переработки нефти и газа. Для современных объектов подготовки и переработки нефти и газа особенно характерны непрерывные гидро-, газодинамические, тепловые, массообменные и реакционные процессы большой мощности со сложными комплексами энергетических и материальных потоков. Разработка математического описания (математических моделей) гидродинамики потоков и тепловых процессов, процессов адсорбции, десорбции и хемосорбции, экстракции и ректификации в насадочных аппаратах, процессов ректификации в тарельчатых аппаратах представляет собой сложную проблему в связи с их нестационарностью, нелинейностью и стохастическим характером. Примером этому может служить многолетняя работа ряда организаций (Московского химико-технологического института им. Д.И. Менделеева, Института катализа СО АН СССР, Научно-исследовательского института синтетического спирта, Опытно-конструкторского бюро автоматики) по разработке альбомов математических описаний и алгоритмов управления типовыми процессами химической технологии. При построении систем управления такими процессами их математические модели существенно упрощаются и заменяются моделями стационарными, линейными и низкой размерности. Результатом этого является, например, управление объектом с изменяющимися свойствами регулятором с постоянной настройкой. Эксплуатационные диапазоны изменения характеристик современных и особенно перспективных устройств подготовки и переработки нефти и газа настолько широки, что управление ими с помощью систем, построенных на основе упрощенных математических моделей в соответствии с классической теорией управления, становится все более затруднительным.

Ужесточаются требования к обеспечению работоспособности систем управления в нештатных ситуациях, их универсальности, модульности построения, надежности, безопасности, снижению стоимости аппаратуры. Другими словами, эволюция указанных устройств вступает в противоречие с применяемыми методами управления ими. Наряду с этим повышение опасности техногенных и природных катастроф предъявляет к современным средствам автоматизации объектов НГК дополнительные требования. Как показывает практика, персонал, обслуживающий сложные управляющие комплексы, не сразу находит решение в нештатных, аварийных, катастрофических ситуациях, допускает роковые ошибки. В этих ситуациях необходима компьютерная поддержка и временная замена человеческого интеллекта искусственным. Бурное развитие средств вычислительной техники вызвало революцию в методах анализа и синтеза систем управления и привело к исключительным результатам: выяснилась неприемлемость классических методов и соответствующего на их основе подхода к синтезу систем, был дан толчок к разработке новых методов. Классические методы не учитывают огромных возможностей вычислительной техники, а проектирование с их помощью сложных систем с большим числом ограничений стало затруднительным.

В последние годы перспективы значительного повышения эффективности систем управления непрерывными технологическими процессами стали связывать с достижениями современной теории управления в области информационных технологий и возможностями вычислительной техники для их реализации. В соответствии с положениями современной теории оптимальное управление возможно лишь при оптимальной обработке информации. В связи с этим современная система управления должна включать объект управления, измерительные устройства управляемых переменных, блоки оптимального оценивания состояния объекта, идентификации его параметров и непосредственно управления (см. рис.). Отметим, что традиционная система управления содержит, как правило, только объект управления, измерительные устройства и блок непосредственного управления. Принятые обозначения: X — внутренние переменные состояния объекта управления, Z — контролируемые переменные состояния объекта управления, U — управление, индексы «о, ш, а, м» — соответственно «оптимальное управление, оптимальное управление в штатном режиме, оптимальное управление в аварийном режиме, переменные модели». Оценивание состояний — это определение текущих значений таких переменных процесса, которые не могут быть измерены непосредственно или могут быть измерены лишь с большими помехами. Особенно полезны методы оценивания текущего состояния для тех процессов, где недостаточно измерительных устройств или очень велика цена отдельных измерений. Алгоритмы идентификации позволяют определять структуру модели объекта, восстанавливать параметры этой модели и, тем самым, наделять систему адаптивными свойствами. Системы управления с приведенной структурой обработки информации имеют расширенный круг решаемых задач и являются более высококачественными по сравнению с традиционными системами, в которых информация с измерительных устройств совсем не обрабатывается или обрабатывается недостаточно. В зависимости от используемых алгоритмов оптимальных оценивания, идентификации и управления возможны самые различные реализации таких систем управления. Выполнение этих требований оказалось не простой проблемой даже для наиболее совершенного класса систем управления — адаптивных и оптимальных. Этим требованиям, как показал опыт последних лет, принципиально могут удовлетворять не все, а только адаптивные оптимальные системы управления с высоким уровнем искусственного интеллекта — самоорганизующиеся системы управления. Заметим, что термин «самоорганизующаяся система управления» был введен профессором Дж. Саридисом (США) в 1978 г.

По классификации Дж. Саридиса адаптивные системы с высоким уровнем искусственного интеллекта именуются самоорганизующимися системами с функциональной (структурной) адаптацией.

Предлагаемый НПО «АМТ» вариант самоорганизующейся системы управления по принципу действия относится к системам с дискретным временем (цифровым или импульсным). Свойства объекта управления, подлежащего управлению, включая математическую модель, неизвестны. Непрерывное время разбивается на циклы, самым коротким интервалом времени является шаг. Входной величиной является сигнал рассогласования Z между задающим воздействием и выходной величиной управляемого объекта. Сигнал рассогласования с помощью алгоритмов оценивания на основе фильтров Калмана обрабатывается на каждом шаге. В блоке оптимальной идентификации по выбранному показателю, измеряемому и вычисляемому в ходе самого процесса управления, связанного с качеством, точностью регулирования на каждом цикле или на протяжении ряда циклов, осуществляется автоматический выбор порядка модели оцениваемого процесса. Исполнительная часть оптимальной системы имеет алгоритм, синтезированный на основе интегрального квадратичного критерия с учетом выбранного порядка модели. На выходе системы устанавливается экстраполятор нулевого порядка, обеспечивающий кусочно-постоянную экстраполяцию и обновление сигнала управления на каждом цикле. В течение цикла положение органа управления остается неизменным. Самоорганизация системы управления, следовательно, осуществляется с помощью взаимосвязанных принятых алгоритмов оценки состояния системы, фильтрации входной информации, структурной и параметрической адаптации автоматически формируемой модели, и, наконец, автоматически определяемых оптимальных управляющих воздействий.

Проведенные исследования показали соответствие этой системы предъявляемым современным требованиям. Самоорганизующаяся оптимальная система удовлетворяет требованию минимальной необходимой априорной информации о структуре, параметрах регулируемого объекта, возмущениях и окружающей среде, так как не требуется их математического описания. Сам принцип действия системы способствует быстрой адаптации к изменению режима и структуры регулируемого объекта. Система имеет возможность быстрой самоорганизации контуров управления в условиях аварийных нештатных ситуаций. Эта возможность и поддержка операторов при принятии решении и их временная замена контуром автоматического управления системы может играть важную роль в предотвращении аварий и катастроф. Используемые алгоритмы способствуют относительной простоте программного обеспечения системы и возможности его микропроцессорной реализации на промышленных контроллерах.

Для сложных технологических объектов НГК замена традиционных систем автоматического управления постоянной настройки на системы нового класса приведет, как минимум, к двум важным последствиям:
 -  влияние факторов, нарушающих заданные технологические процессы, будет парироваться этой системой до пределов, отведенных управляющим воздействиям;
 -  текущие и экстраполируемые нарушения регулируемых технологических процессов могут практически мгновенно передаваться на информационное поле оператора или (и) автоматы защиты. Блоки оценивания (наблюдатели) данных систем могут выпускаться и применяться отдельно в качестве прогнозаторов опасных режимов, выдающих сигналы на соответствующие дисплеи или устройства для дальнейшего использования. Это обстоятельство позволяет создавать помимо систем регулирования системы контроля, диагностирования, автоматической сигнализации и аварийной защиты сложных объектов НГК принципиально нового типа и отличающиеся от существующих повышенной эффективностью.
 
В завершение изложения преимуществ самоорганизующихся систем управления следует отметить, что они могут поставляться в виде устройств, ориентированных как на конкретные новые объекты управления, так и как блоки самонастройки на объекты управления с традиционными регуляторами.

Такие самонастраивающиеся системы целесо­образно использовать в первую очередь в наиболее ответственных системах управления объектами подготовки и переработки нефти и газа, определяющих их экономическую эффективность, снижение экологической нагрузки и безопасность. Вместе с тем, такие системы могут применяться на этапах добычи и транспортировки нефти и газа.

Комплексное рассмотрение возможностей и преимуществ самоорганизующихся систем управления дает основание для утверждения, что предлагаемый инновационный подход к совершенствованию средств автоматизации различного назначения (регулирования, контроля, сигнализации, защиты и др.) непрерывными объектами НГК является перспективным.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!