Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных подходов в области создания и внедрения информационно-управляющих систем (на примере ОАО «Газпром») 28
1.1. Особенности эксплуатации и автоматизации газодобывающих и газотранспортных предприятий как объектов автоматизированного управления 28
1.2. Концептуальные вопросы и базовые проектно-технические решения создания многоуровневых ИУС РВ 33
1.3. Интеграция многоуровневых, информационно-управляющих систем в Отраслевую систему оперативно-диспетчерского управления (ОСОДУ) Единой системы газоснабжения
России (ЕСГ РФ) 46
Глава 2. SCADA-система как программное средство сбора, обработки информации и управления технологическими процессами в режиме реального времени 53
2.1. Принципы построения SCADA-систем на базе современных программных технологий ^. 53
2.2. Программно-инструментальная платформа и состав программного обеспечения ИУС РВ 59
2.3. Сравнительный анализ используемых в России SCADA-систем 71
2.4. Программно-инструментальный комплекс «Орион» 74
Глава 3. Конкурентоспособные и импортозамещающие объектно-ориентированные технические средства, используемые для создания ИУС РВ разных уровней управления 83
3.1. Многокритериальный выбор состава и конфигурации вычислительной техники «верхнего» уровня управления с учетом индивидуальных предпочтений 83
3.2. Серийно выпускаемые микропроцессорные контроллеры «нижнего» уровня для сбора, обработки информации и управления технологическими процессами 93
3.3. Микроволновые бесконтактные расходомеры продуктов добычи газоконденсатных месторождений, основанные на методе высокочастотного зондирования многофазных потоков 101
Глава 4. Оптимизация проектирования и диагностика радиоэлектронного оборудования ПО
4.1. Многокритериальная оптимизация компоновки радиоэлектронных блоков в монтажных шкафах ИУС РВ ПО
4.2. Трассировка кабелей в монтажных шкафах 118
4.3. Математическое моделирование задачи диагностики технических неисправностей с помощью оптимизационных причинно-следственной и вероятностной моделей 130
Глава 5. ИУС РВ, обеспечивающая контроль и управление кустами газовых скважин 139
5.1. Постановка оптимизационной задачи двухуровневого управления технологическими процессами добычи газа 139
5.2. Построение агрегированной математической модели процесса разработки газовой залежи 146
5.3. Алгоритмы решения задачи распределения заданной производительности между УППГ (куполами) 152
5.4. Система автоматизации контроля и управления кустами газовых скважин 157
5.5. Управление процессом переработки газового конденсата в нефтепродукты ' 167
Глава 6. Информационно-управляющие системы автоматического поддержания заданного режима работы КС и КЦ 175
6.1. Программно-технические средства, используемые в системах агрегатной автоматики 175
6.2. Алгоритмическое обеспечение САУиР ГПА, включая логическое управление и топливное регулирование 180
6.3. Антипомпажная защита и регулирование нагнетателя ГПА 185
6.4. Алгоритмическое обеспечение цехового регулятора и антипомпажная защита КЦ 192
6.5. Системы управления компрессорными станциями и цехами
на базе SCADA-системы «Сургут-QNX» 198
Глава 7. Автоматизация технологического процесса транспорта газа с использованием системы линейной телемеханики 203
7.1. Программно-технические средства телемеханики для магистральных газопроводов 203
7.2. Автоматизация контроля и управления технологическими процессами с использованием унифицированного комплекса телемеханики 207
7.3. Преобразование комплекса телемеханики
в информационно-управляющую систему АСУ ТП 216
7.4. Внедрение систем телемеханики 221
Глава 8. Многоуровневая ИУС РВ, обеспечивающая управление технологическими процессами транспорта газа 228
8.1. Оптимизационные задачи планирования и оперативного управления процессом транспорта газа 228
8.2. Иерархическая четырёхуровневая ИУС РВ транспорта газа 236
8.3. Внедрение многоуровневых ИУС РВ на примере газодобываю
щих и газотранспортных предприятий ОАО «Газпром» 244
Глава 9. Диагностика и мониторинг технического состояния газопроводов с целью обеспечения их безаварийного функционирования 253
9.1. Технология комплексной оценки состояния трубопроводов 253
9.2. Методы математического моделирования прочностной надежности потенциально опасных участков газопровода 256
9.3. Базовый метод оценки прочностной надежности ПОУЛЧМГ 262
9.4. Разработка и внедрение интегрированной экспертно-аналитической системы оценки, анализа и прогнозирования технического состояния ЛЧ МГ 275
Заключение 280
Список литературы
- Концептуальные вопросы и базовые проектно-технические решения создания многоуровневых ИУС РВ
- Программно-инструментальная платформа и состав программного обеспечения ИУС РВ
- Серийно выпускаемые микропроцессорные контроллеры «нижнего» уровня для сбора, обработки информации и управления технологическими процессами
- Построение агрегированной математической модели процесса разработки газовой залежи
Введение к работе
Мировой опыт развития крупномасштабных объектов и отраслей промышленности показывает, что невозможно поддерживать требуемые темпы их развития методами простого количественного наращивания существующих автоматизированных систем управления. Необходим новый подход к созданию таких систем, направленный на обеспечение более качественного уровня управления, требующий большей полноты учета связей и факторов в реальной действительности.
Газовая промышленность, на примере которой выполнены представленные в диссертации исследования, представляет собой сложную систему, характеризуемую большим количеством элементов, число возможных состояний которых требует большого количества информации для ее описания. Управлять таким сложным объектом невозможно без системного подхода, основанного на совместном рассмотрении таких универсальных понятий теории управления, как система, информация, целенаправленность, обратная связь, иерархия и т.п.
Проблемы создания автоматизированных систем управления для топливно-энергетического комплекса России, в том числе для объектов газовой отрасли, достаточно широко освещены в специализированной литературе [1-18]. В диссертации показана настоятельная необходимость модернизации ранее разработанных АСУ ТП объектов газовой промышленности, применения новых подходов к построению подобных систем, базирующихся на современных достижениях теории управления и информационных технологий.
Управление очень важно рассматривать как единство двух сторон: теории и искусства руководства. Первая дает систему логических принципов и оперирует математическими методами анализа. Вторая использует описательные, эвристические методы. Здесь главную роль играют обобщение опыта диспетчеров, других руководителей, анализ их поведения в различного рода ситуациях. Таким образом, управление не сводится к регулярным методам, а всегда содержит элемент творчества.
Секрет высокой эффективности АСУ заключается, во-первых, в том, что в процессе управления с ее помощью сложную систему удается целиком удерживать в поле зрения. Во-вторых, тщательно изучаются и четко формируются цели, стоящие перед всей системой, а само управление рассматривается как деятельность, направленная на достижение этих целей путем концентрации усилий всех элементов системы.
В рамках данной концепции в конце 90-х годов были разработаны «Основные положения по автоматизации, телемеханизации и созданию информационно-управляющих систем» предприятий газовой отрасли, выработаны общесистемные технические требования к отраслевой системе оперативно-диспетчерского управления (ОСОДУ) ЕСГ России, где были определены главные цели системы, комплексы решаемых задач, предложено деление системы на ряд подсистем, сформулированы принципы создания информационного, математического и технического обеспечения, определены состав и содержание проектной документации системы. В этот период было осознано, что ОСОДУ является большой, сложной системой автоматизированного управления, обладающей свойством целостности, ее нельзя представить простой суммой элементов, действующих на различных уровнях управления отраслью. Подобная система может быть успешно разработана, а затем эффективно функционировать лишь в том случае, если её части, действующие на уровнях отрасли, объединений и предприятий, создаются по единым методологическим принципам и единой схеме разработки и внедрения.
Бурное развитие в последние годы вычислительной техники и информационных технологий обеспечило значительный прогресс в возможностях автоматизации технологических производственных процессов. Существенно улучшились основные технические характеристики представленных на рынке ПТС, такие как надежность, уровень интеграции, возможности обмена данными, возможности обработки, хранения, отображения и- передачи технологической информации, возможности дистанционного управления и настройки режимов работы.
Современный подход к комплексной автоматизации газодобывающих (ГДП) и газотранспортных (ГТП) предприятий характеризуется переходом от локальных систем управления отдельными технологическими процессами и объектами к многоуровневым информационно-управляющим системам (МИУС) диспетчерского управления технологическими комплексами. За последние годы технический уровень и качество работ по автоматизации предприятий ОАО «Газпром» значительно повысились.
В составе ГДП создаются автоматизированные системы управления объектами основного технологического оборудования кустов газовых скважин, установок предварительной и комплексной подготовки газа, дожимных компрессорных станций.
ГТП является многофункциональным производственным
объединением и включает в себя технологические объекты транспорта газа и переработки газового конденсата.
К основным технологическим объектам относятся газоперекачивающие агрегаты компрессорных станций, осуществляющие транспортировку газа посредством повышения его давления. Магистральные газопроводы (МГ), являющиеся основными объектами ГТП, эксплуатируются в сложных климатических условиях, рассредоточены на значительной территории и представляют собой сложный комплекс технологических установок.
Управление объектами транспорта газа осуществляется на следующих иерархических уровнях.
Первый (нижний) уровень управления объектами основного производства реализуется диспетчерскими службами компрессорных цехов, обеспечивающими непосредственное управление технологическими процессами транспорта газа и конденсата.
Основными службами двух верхних уровней управления являются диспетчерская служба линейного производственного управления МГ (КС) и центральный диспетчерский пункт (ЦДЛ) газотранспортного предприятия, которые являются органами оперативного управления производства, осуществляющими выполнение плановых заданий по транспорту и реализации газа с соблюдением заданных технологических режимов всех технологических объектов.
Несмотря на масштабы и распределенную структуру, ОАО «Газпром» необходимо рассматривать как единое предприятие, представляющее собой сложный и неразрывный производственно-технологический комплекс, который включает в себя объекты добычи, транспорта и переработки газа.
На данном этапе развития эффективное функционирование отрасли в значительной степени зависит от правильной организации управления информацией. Поэтому в целях успешной реализации вопросов управления технологическими процессами и решения финансово-экономических задач необходимо осуществление комплексного подхода к проблемам информатизации отрасли на базе многоуровневых информационно-управляющих систем с помощью современных информационных технологий и нового поколения программно-технических средств (ПТС) автоматизации технологических процессов и объектов.
Одним из основных требований к МИУС является обеспечение ее функционирования в режиме реального времени, поэтому оптимизация технических решений по организации информационного обмена между уровнями управления является первоочередной задачей.
В настоящее время практически во всех структурных подразделениях администрации ОАО «Газпром» и на всех основных предприятиях отрасли внедрены комплексы средств автоматизации. Однако они обеспечивают только часть информационных потребностей компании. Достигнутый уровень автоматизации не позволяет в полном объеме объединить функции управления отраслью как единым технологическим комплексом.
На крупных предприятиях отрасли созданы вычислительные системы, обеспечивающие автоматизацию управления как производственно-хозяйственной и финансовой деятельностью, так и технологическими объектами Единой системы газоснабжения (ЕСГ) РФ.
Однако автоматизация на этих предприятиях, как правило, направлена на решение проблем отдельных структур предприятия и лишь на некоторые фрагменты производства, его отдельные процессы, а не на охват всего производственного цикла и организацию комплексной системы управления, обеспечивающей интеграцию разрозненных компонентов в единый производственный организм.
В настоящее время при создании систем диспетчерского управления газодобывающими и газотранспортными организациями широко используются современные SCADA-системы, средства автоматизации и телемеханики, высокоскоростные сети передачи данных, в результате чего качественно изменилось информационно-программное и аппаратное обеспечение диспетчерских служб. Однако при этом возник разрыв между теми возможностями, которые предоставляют современные SCADA-системы, и существующим уровнем автоматизации диспетчерского управления, выполняющим, в основном, функции контроля и протоколирования, а не автоматизированного управления как такового. Этот разрыв связан в значительной мере с отсутствием в системах управления математических моделей и алгоритмов оптимизации диспетчерского управления, охватывающих совокупность объектов добычи, переработки и транспорта газа.
Таким образом, проблема интеграции различных систем автоматизации предприятия выходит на первый план, и сложились все объективные условия для ее решения. Имеющиеся на сегодняшний день единые сетевые протоколы, международные стандарты открытых систем и информационные технологии обмена создали необходимые предпосылки формирования единой информационной управляющей системы предприятий.
При этом создание МИУС РВ, осуществляющих контроль и регулирование технологического оборудования, оптимизацию как программно-технических средств, так и эксплуатационных режимов, управление производительностью добычи и транспорта газа на основе методов оптимизации и математического моделирования технологических процессов газовой отрасли промышленности, является важной и актуальной задачей.
Методическую и теоретическую базу диссертационной работы составляют подходы и инструментарий теории многоуровневых, иерархических, информационно-управляющих систем, методов математического моделирования технологических процессов реального времени, решения задач многокритериальной оптимизации систем информационной поддержки принимаемых решений. При выполнении исследования автор опирался на теоретические результаты отечественных ученых: в области развития теории информационно-управляющих систем реального времени и АСУ технологических процессов газовой отрасли -А.Г. Ананенкова, М.А. Балавина, СВ. Емельянова, И.А. Жученко, Я.Е. Львовича, С.Л. Подвального, В.Н. Фролова; в области теории математического моделирования - А.Д. Иванникова, Н.Н. Моисеева, И.П. Норенкова, А.А. Самарского, А.Н. Тихонова; в области применения численных методов оптимизации в прикладных задачах - Д.И. Батищева, Ю.Б. Гермейера, Ю.Г. Евтушенко, П.С. Краснощекова, B.C. Михалевича, В.В. Подиновского, Р.Г. Стронгина.
Исследования по теме диссертационной работы, выполняемые в интересах газовой отрасли, отражены в Генеральном соглашении Росатома и ОАО «Газпром» и среднесрочной программе работ и соответствуют Концепции научно-технической политики ОАО «Газпром» до 2015 года. При этом обеспечивается принцип сдачи продукции «под ключ» и сопровождение проекта в течение всего жизненного цикла - от технико-экономического обоснования, разработки, изготовления и комплектования до гарантийного и послегарантийного обслуживания. НИИИС выступает в роли системного интегратора и генерального подрядчика, организуя взаимодействие предприятий как ОАО «Газпром», так и Росатома, а также в роли разработчика и изготовителя оборудования и программных средств.
Основной целью диссертационной работы является разработка и исследование комплекса математических моделей, алгоритмов решения задач многокритериальной оптимизации и поддержки принятия управленческих решений, направленных на обеспечение автоматизированного сквозного цикла разработки нового поколения программно-технических средств автоматизации и создание на их базе многоуровневых информационно-управляющих систем реального времени (МИУС РВ), обеспечивающих оптимизацию эксплуатационных режимов технологического оборудования и управления их производительностью.
Решение данной задачи имеет важное народно-хозяйственное значение для повышения надежности, эффективности и безопасности систем управления технологическими объектами добычи и транспорта газа.
В соответствии с поставленной целью в работе сформулированы и решены следующие основные задачи исследования.
1. Разработка концепции построения многоуровневых информационно-управляющих систем реального времени и их роли в повышении безопасности и эффективности управления технологическими процессами добычи, переработки и транспорта газа с помощью программно-технических средств информационной поддержки принимаемых решений.
2. Разработка и доведение до коммерческого программного продукта конкурентоспособных отечественных SCADA-систем сбора информации, ее обработки и управления технологическими процессами в режиме реального времени.
3. Разработка и серийный выпуск конкурентоспособных и импортозамещающих объектно-ориентированных технических средств (микропроцессорные контроллеры, расходомеры, средства дистанционного управления, электронное оборудование и др.), используемых для создания МИУС РВ разных уровней управления.
4. Построение математических моделей и разработка эффективных алгоритмов решения взаимозависимого класса оптимизационных задач добычи, транспорта и переработки газа (газового конденсата).
5. Разработка математических методов и программных комплексов диагностики и мониторинга прочностной надежности потенциально опасных участков линейной части магистральных газопроводов.
6. Создание и внедрение многоуровневых ИУС РВ на газодобывающих и газотранспортных предприятиях ОАО «Газпром», входящих в ОСОДУ Единой системы газоснабжения России.
Научная новизна работы заключается в решении ряда важных новых задач, связанных с проведением исследований и разработкой алгоритмов управления и регулирования технологическими процессами добычи, подготовки и транспортировки газа (газового конденсата) на основе методов оптимизации и математического моделирования; с повышением эффективности мониторинга информационно нагруженных технологических процессов на базе разработанного математического аппарата; с разработкой комплекса отечественных программно-технических средств нового поколения и созданием на этой основе, с использованием современных достижений теории управления и информационных технологий, нового класса систем - многоуровневых информационно-управляющих систем реального времени для крупных предприятий газовой отрасли.
Новизна научно обоснованных и впервые разработанных технических и технологических решений подтверждена четырьмя патентами РФ на изобретения, тремя сертификатами соответствия и двумя свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Обоснованность и достоверность сформулированных в диссертации научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также практической реализацией и промышленной эксплуатацией созданных многоуровневых ИУС РВ. Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:
• 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.
В направлении реализации результатов работы под руководством автора НИИИС создает МИУС РВ на самых крупных газотранспортных предприятиях ОАО «Газпром»: ООО «Севергазпром», 000 «Уралтрансгаз», 000 «Тюментрансгаз», 000 «Сургутгазпром», 000 «Ноябрьскгаздобыча».
Высоконадежными системами линейной телемеханики оснащено более 26000 км магистральных газопроводов России.
Созданные на базе выполненных исследований микропроцессорные контроллеры, приборы контроля технологических параметров, бесконтактный расходомер двухфазных потоков, компьютерные газоанализаторы превосходят по своим техническим характеристикам зарубежные аналоги.
Предложенное решение задач рационального распределения объемов добычи газа на газодобывающих предприятиях позволяет:
- увеличить длительность периодов бескомпрессорной и безводной добычи газа;
- добиться высоких значений конечной газоотдачи пластов;
- снизить затраты на добычу газа;
- обеспечить приемлемый уровень технико-экономических показателей эффективности разработки и эксплуатации газовой залежи, состоящей из нескольких промыслов.
По направлению АСУ ТП транспорта газа на предприятии 000 «Сургутгазпром» в 2001 году внедрен в опытную эксплуатацию пилотный проект многоуровневой АСУ ТП реального времени в объеме:
? центральный диспетчерский пункт предприятия и 7 систем управления компрессорными станциями;
? система управления газораспределительной станции (СУ ГРС) Сургутского линейного производственного управления, включая системы линейной телемеханики на продукто- и конденсатопроводе;
? 15 систем автоматического управления и регулирования (САУиР) ГПА;
? САУиР электроприводных агрегатов с устройством мягкого пуска наКС-11; на продуктопроводе Сургутского ЛПУ внедрена система обнаружения утечек.
В период с 2001 по 2004 гг. введены в эксплуатацию:
- центральный диспетчерский пункт информационно-управляющей системы ООО «Ноябрьскгаздобыча» (ЦДЛ ИУС);
- информационно-управляющая система Комсомольского газового промысла;
- автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) Вынгапуровского газового промысла.
В Приложении представлены наиболее значимые документальные свидетельства внедрения результатов работы на предприятиях ОАО «Газпром».
На защиту выносятся следующие научно-технические результаты и положения.
1. Комплекс математических моделей и алгоритмы многокритериальной оптимизации проектирования объектно-ориентированного электронного оборудования МИУС.
2. Комплекс математических моделей и эффективные алгоритмы решения совокупности взаимозависимых оптимизационных задач распределения ресурсов в многоуровневых иерархических управляемых системах, формализующих процессы добычи, транспортировки и переработки газа (газового конденсата).
3. Математическая модель процесса разработка газовой залежи для основных эксплуатационных режимов дренирования.
4. Математическая модель помпажа, позволяющая проводить аналитические исследования помпажной границы и положения рабочей точки нагнетателей.
5. Алгоритмы многокритериальной оценки состояния прочностной надежности ЛЧ МГ с помощью методов математического моделирования.
6. Разработанные и внедренные на предприятиях газовой отрасли (000 «Севергазпром», «Сургутгазпром», «Ноябрьскгаздобыча») многоуровневые информационно-управляющие системы реального времени, выполненные на базе проведенных научных исследований, предложенных и обоснованных математических моделей, программных и аппаратных средств.
Апробация (представление) результатов работы и публикации
Результаты диссертации докладывались или представлялись:
на 1-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 телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2001);
на Ш-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» (С.-Петербург, 2007).
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.
Концептуальные вопросы и базовые проектно-технические решения создания многоуровневых ИУС РВ
Проблема, перед которой сегодня оказались предприятия, заключается в том, что установленные на них автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) перестали удовлетворять как по количеству и качеству предоставляемой персоналом информации, так и по набору функций. И дело даже не в качестве программного обеспечения или мощности средств вычислительной техники. Дело в том, что изменилась точка зрения на основные функции автоматизированных систем, а также в устаревшей технологии проектирования таких систем. Функции современных и перспективных автоматизированных компьютерных систем значительно расширяются как в области управляющих воздействий, так и в области информационного обеспечения. Этот процесс смены функций сопровождается тем, что старая терминология, относящаяся к компьютерным технологиям, постепенно начинает вытесняться новой, в которой определяющими становятся понятия "информационные системы", "информационно-управляющие системы" (ИУС), "интегрированные системы управления" и т.п. Данный процесс смены терминологии отражает переход от компьютерных систем управления на качественно новый уровень, где основную роль играют информационные технологии, точнее, технологии информационной поддержки принимаемых решений по управлению технологическим процессом или производством.
Информационно-управляющие системы, как и информация, и информационные технологии существовали с момента появления общества, поскольку на любой стадии его развития существует потребность в управлении. Таким образом, миссия информационных систем — производство нужной для предприятия информации с целью обеспечения эффективного управления всеми его ресурсами, создание информационной и технической среды для осуществления управления. Рассматривая систему управления, можно выделить три уровня управления: стратегический, тактический и оперативный.
Информационно-управляющие системы могут быть классифицированы по ряду признаков: по степени автоматизации (автоматизированные и неавтомати зированные); I по сфере функционирования объекта управления; по уровню в системе управления (отраслевые, территориальные, отдельного предприятия и т.п.); по виду процессов управления (технологические процессы, управленческие процессы). Техническое обеспечение — комплекс технических средств, предназначенных для работы ИУС, а также соответствующая документация на эти средства и технологические процессы — включает в себя: технические средства сбора, регистрации, накопления, обработки и передачи, информации; компьютеры любых моделей (персональные компьютеры и высокопроизводительные управляющие ЭВМ); компьютеры могут объединяться в вычислительные сети.
Математическое обеспечение — совокупность математических методов, моделей, алгоритмов обработки информации, используемых при решении оптимизационных задач в ИУС. К средствам математического обеспечения относятся: средства моделирования процессов управления; типовые задачи управления; методы математического программирования, математического моделирования, поддержки принятия решений.
Программное обеспечение — совокупность программ для реализации целей и задач ИУС, а также нормального функционирования комплекса технических средств. В состав программного обеспечения входят общесистемные и специальные программные продукты, а также техническая документация, в том числе: операционная система, системы программирования, инструментальные средства, тестовые и диагностические программы, программные средства телекоммуникации, защиты информации.
Методическое и организационное обеспечение — совокупность методов, средств и документов, регламентирующих взаимодействие персонала ИУС с техническими средствами и между собой в процессе разработки и эксплуатации информационно-управляющей системы.
Функциональная часть информационной системы обеспечивает реализацию назначения ИУС. Фактически здесь содержится модель системы управления организацией. Примером может служить система управления технологическими процессами - компьютерная информационная система, обеспечивающая поддержку принятия решений по управлению технологическими процессами в рамках определенного периода управления.
Основными требованиями, актуальными для современных информационно-управляющих систем, можно считать: наличие единого информационного пространства всего предприятия, в состав которого должны входить фактографические базы данных как в части технологии, так и административно-хозяйственной деятельности, позволяющие использовать всю накопленную информацию для принятия технологических и управленческих решений;
Программно-инструментальная платформа и состав программного обеспечения ИУС РВ
Использование SCADA-систем позволяет создавать ИУС РВ без программирования в обычном понимании, а путем конфигурирования и настройки готовых компонентов под требования конкретного проекта. Эта возможность обеспечивается тем, что SCADA-система обычно содержит в своем составе средства поддержки баз данных реального времени и статических баз данных, систему визуализации, средства обмена, другие необходимые компоненты, включая простые, адаптированные для пользователя средства настройки.
Последнее обстоятельство позволяет решать еще ряд задач, долгое время считавшихся неразрешимыми: сокращать сроки разработки проектов по автоматизации и снижать финансовые затраты на их разработку.
К трудностям освоения в России новой информационной технологии -SCADA-систем - относятся как высокая стоимость проектов автоматизации и отсутствие эксплуатационного опыта, так и недостаток информации о различных SCADA-системах. Программные продукты класса SCADA-систем широко представлены на мировом рынке. Каждая SCADA-система -это интеллектуальная собственность соответствующей компании, поэтому информация об эффективности использования той или иной системы не столь обширна.
Сегодня на рынке SCADA-систем нет недостатка в различных продуктах от самых малых и дешевых, рассчитанных на несколько десятков переменных процесса, до самых мощных, поддерживающих сотни тысяч переменных процесса.
Область применения SCADA-систем постоянно расширяется и теперь охватывает практически все отрасли промышленности от производства косметических средств до объектов атомной энергетики. В связи с этим производители SCADA-систем, стремясь максимально охватить рынок, разрабатывают универсальные продукты, применимые в различных областях промышленности. При этом не учитываются специфические требования конкретной отрасли, что порой затрудняет адаптацию системы к условиям проекта.
Основная масса SCADA-систем не обладает совокупностью характеристик, позволяющей использовать одну и ту же систему на всех уровнях управления технологическим процессом, поскольку разные уровни управления предъявляют различные, порой противоречивые требования. Так, для «нижних» уровней требуются системы, рассчитанные на тысячи переменных и имеющие очень высокое быстродействие, а для «верхних» уровней - рассчитанные на десятки тысяч переменных с менее жесткими требованиями к временным характеристикам, но с более развитыми информационно-аналитическими возможностями.
Обычно из этой ситуации выходят, применяя на разных уровнях разные SCADA-системы. Но при этом в процессе эксплуатации у конечного пользователя возникают трудности при сопровождении ИУС РВ, так как от персонала требуется знание сразу нескольких разнородных продуктов и навыков их сопряжения и сопровождения, а также происходит увеличение ручной работы по согласованной коррекции разных уровней.
Конечно, можно на все уровни управления установить одну и ту же мощную быстродействующую SCADA-систему, но этот подход приводит к неоправданному удорожанию проекта.
Процесс создания ИУС РВ должен включать в себя следующие основные работы в части создания программно-инструментальной платформы проекта: выбор ПО, реализующего основные функции SCADA-системы (базовое ПО), и программно-аппаратной платформы (ОС и необходимого оборудования), на которой способно функционировать указанное выше ПО; доработка базового ПО в соответствии с требованиями ТЗ на заданный объект автоматизации; разработка сервисного ПО, включающего типовые программные решения (ТПР) для проектов автоматизации, включая драйверы связи с подсистемами; разработка технического и рабочего проектов по программно-инструментальной платформе; реализация типового тестового проекта автоматизации и тестового программного обеспечения для проведения приемо-сдаточных испытаний ИУС РВ.
Базовое ПО SCADA-системы включает в себя программные модули, являющиеся неизменяемым ядром системы и обеспечивающие ее работоспособность (Run Time), и инструментальное ПО (Development).
Сервисное ПО - пакет программ, предназначенный для конфигурирования и тестирования системы.
Типовые программные решения - набор дополнительного инструментария, шаблонов, драйверов и базовых форм, предназначенных для использования в проектах автоматизации.
Тестовое ПО - пакет программ, предназначенных для имитации систем, сопрягаемых с проектируемыми, и для тестирования проектов ИУС РВ с целью подтверждения их соответствия требованиям нормативных документов.
Серийно выпускаемые микропроцессорные контроллеры «нижнего» уровня для сбора, обработки информации и управления технологическими процессами
Развитие современных систем автоматизации на данном этапе базируется на последних достижениях микроэлектроники, микроконтроллерной техники, средств вычислительной техники и соответствующих им программных платформ.
Основой создания многоуровневых АСУ ТП являются низовые САУ и управляющие комплексы «верхнего» уровня управления. Освоение данного сегмента рынка потребовало создания собственных средств для систем автоматизации и, в первую очередь, освоения и разработки микропроцессорных контроллеров. Имея производственную базу и опыт создания специальных средств вычислительной техники, институт в конце 90-х годов под руководством и при участии автора разработал документацию и освоил серийное изготовление двух типов собственных контроллеров [27]: КПН — промышленного контроллера для сосредоточенных объектов (цехов, УППГ, УКПГ и т.д.), до 600 параметров ввода/вывода; КБА-01М - для малоинформативных объектов (КГС, ВО, ГРС и т.д.), до 200 параметров ввода/вывода.
Кроме того, в разрабатываемых институтом системах автоматизации широко используются контроллеры ведущих мировых производителей (фирм Siemens, Motorola, GE Fanuc и др.).
Технологические особенности производственного процесса определяют структуру и состав технических средств, применяемых для его автоматизации. Большое разнообразие технологических производств породило огромное разнообразие архитектур систем автоматизированного управления и, соответственно, разнообразие средств автоматизации. В составе систем управления основным техническим средством автоматизации является программируемый контроллер (ПРК). При этом в мировой практике принято рассматривать ПРК как самостоятельные изделия, применяемые для автоматизации производственных процессов.
В 1993 г. Международной Электротехнической Комиссией (МЭК) был опубликован состоящий из пяти частей стандарт IEC 1131 под общим названием «Программируемые контроллеры», определяющий множество требований к ПРК. За прошедшее время стандарт претерпел ряд модернизаций и в настоящее время имеет обозначение IEC 61131.
Стандарт IEC 61131 дает следующее определение программируемого контроллера: «Программируемый контроллер - цифровая электронная система, предназначенная для применения в промышленных условиях. ПРК использует программируемое запоминающее устройство для внутреннего хранения ориентированных на пользователя инструкций, для выполнения специальных функций, таких как логические, упорядочения, отсчета времени, математические действия, управления через цифровые и аналоговые входы и выходы различными типами механизмов и процессов.
ПРК и связанные с ними периферийные устройства разрабатывают так, чтобы они могли быть легко интегрированы в промышленную систему управления».
Ведущие зарубежные изготовители программируемых контроллеров сумели достаточно быстро освоить выпуск ПРК в соответствии со стандартом IEC 61131. Большую роль в этом сыграла независимая организация PLCOpen, объединившая большое число производителей и пользователей ПРК. Заметим попутно, что российские стандарты [28], являющиеся полными аналогами IEC 61131, введены в действие только в 2003 г., т.е. лишь через 10 лет после его опубликования на Западе.
Ведущие производители характеризуются комплексным подходом к вопросам автоматизации производственных процессов. Помимо ПРК они выпускают широкую номенклатуру технических средств автоматизации (датчики, исполнительные механизмы, разнообразные средства защиты, средства человеко-машинного интерфейса, преобразователи сигналов, компоненты промышленных сетей, устройства распределенного ввода-вывода) и программных средств (SCADA-системы, системы программирования), что обеспечивает создание систем автоматизированного управления практически любыми технологическими процессами. При этом ведется непрерывное совершенствование продукции на основе последних научных и технических достижений [9].
Построение агрегированной математической модели процесса разработки газовой залежи
Проектирование радиоэлектронной системы из функционально законченных блоков (типовых блоков) предполагает решение задач компоновки, размещения и трассировки.
Задача компоновки заключается в распределении типовых блоков по монтажным шкафам. Распределение должно удовлетворять техническим ограничениям, связанным с вместимостью, с итоговым весом шкафов, с суммарным нагревом радиоэлектронной начинки шкафа и т.п. Главным критерием качества распределения, как правило, служит общее число проводников внешней шины, связывающей монтажные шкафы в единую систему.
В задаче размещения требуется найти такое расположение типовых блоков в пространстве монтажного шкафа, которое должно удовлетворять целому ряду технических ограничений, связанных: с устойчивостью шкафа, с тепловым режимом, с возможностью доступа к блокам для ремонта и замены и т.п. Если не прикладывать никаких усилий по прокладке кабелей внутри монтажного шкафа, то получится паутина из электрических соединений, которая не позволит ни получить доступ к типовым блокам, ни устранить проблему влияние помех, исходящих от силовых кабелей внутри шкафа. Для компактной прокладки кабелей применяются кабельные каналы — это полые короба с регулярной структурой отверстий. Предварительная топология расположения коробов и их габариты также проектируется на этапе размещения.
Задача трассировки (трехмерной трассировки) заключается в нахождении трасс кабелей по кабельным каналам в пространстве монтажного шкафа. Требуется, во-первых, минимизировать влияние помех, исходящих от силовых кабелей, во-вторых, минимизировать суммарную длину соединений. В задаче имеется одно ограничение, связанное с заполненностью кабельных каналов: кабели могут входить в кабельный канал в любое регулярное отверстие, но пиковая загрузка по длине кабельного канала по возможности не должна превышать 70%. Под пиковой загрузкой понимается максимальное количество кабелей, проходящих через сечение короба.
Необходимость в решении задачи трассировки возникает по следующим причинам: расчет трасс и заполненности кабельных каналов позволит внести коррективы в топологию расположения коробов и их габариты до сборки шкафа; расчет трасс позволит сделать точную оценку длин кабелей монтажного шкафа, которой можно воспользоваться при формировании заказа для поставщика оборудования; анализ результата поиска оптимальной трассировки позволит выработать рекомендации для монтажных работ. Задача трассировки особенно остро встает в случае вывода на лицевую сторону монтажного шкафа множества индикаторов, общее число которых может достигать несколько сотен. В этом случае порядок общего числа кабелей может исчисляться тысячами.
Математическая модель процесса трассировки
В силу того, что предварительная топология расположения кабельных каналов монтажного шкафа спроектирована на этапе размещения, для каждого короба к из множества коробов К монтажного шкафа можно определить следующий набор параметров: 119 Dk - длина короба к; Sk - сечение короба к; Pk - координаты расположения в пространстве короба к, которые задаются отрезком Рк = (рк,рк2), где р\ ={x\,y\,z\) и рк={х\,укг,гкг) - крайние точки продольной оси короба.
Как уже отмечалось, размещение "радиоэлектронной" начинки шкафа рассчитано на предыдущем этапе конструкторского проектирования, поэтому для каждого прокладываемого кабеля с из всего множества кабелей С можно определить следующий набор параметров [26]: sc - сечение кабеля с изоляцией sc; tc - тип кабеля (сигнальный или силовой) определяется из величины сечения кабеля); ас =(хас Уао2ас) координата исходящего контакта в пространстве шкафа (контакт радиоэлектронного элемента начинки шкафа, от которого отходит кабель sc);
Я = (хрс Урс 2рс) координата входящего контакта в пространстве шкафа (контакт радиоэлектронного элемента начинки шкафа, контакт шины заземления или контакт клеммы на одном из клеммников, к которому подходит кабель sc).
Топологию кабельных каналов смоделируем орграфом G(V,A,w), задав взаимнооднозначное соответствие между множеством вершин графа V и множеством кабельных каналов К с помощью отображения к: V - К. Таким образом, вершина veV соответствует коробу (v7) є К. Дугой вида (v,,v7) є А соединим вершину V, є V с вершиной Vj е V, если топология кабельных каналов допускает возможность пропустить кабель из короба (v,) в короб k(yj). Каждой дуге (vnVj)eA припишем действительное ЧИСЛО W(V/, Vy), которое равно расстоянию между соответствующими коробами в пространстве монтажного шкафа. Под расстоянием между коробами будем понимать минимальное декартово расстояние между отрезками, задающими их расположение в пространстве шкафа.
