Содержание к диссертации
Введение
Введение Глава 1 Особенности эксплуатации и управления большими системами энергетики
1.1 Актуальность проблемы автоматизации объектов ОАО «Газпром»
1.2 Структура ОАО «Газпром»
1.2.1 Принципы производственно - хозяйственного взаимодействия добывающих, транспортирующих и перерабатывающих предприятий ОАО «Газпром»
1.2.2 Программы автоматизации ОАО «Газпром»
1.2.3 Подходы в области создания и внедрения корпоративных ИУС
Глава 2 Организационная структура и требования к ИУС газотранспортного предприятия
2 1 Характеристика объекта автоматизации
2.2 Основные виды деятельности и типовые экономические процессы
2.3 Средства автоматизации ООО «Сургутгазпром»
2.3.1 Автоматизация технологических процессов
2.3.2 Уровень существующей автоматизации процессов производственно-хозяйственной деятельности
2.4 Состав подсистем ИУС газотранспортного предприятия
2.4.1 Организационная структура управления технологическими процессами ГТП
2.4.2 Общесистемные и технические требования к АСУ ТП
2.4.3 Функции АСУ ТП
2.4.4 Распределение функций по уровням управления
2.4.5 Структурные схемы АСУ ТП и ее составных частей
2.4.5.1 Уровень предприятия, центральный диспетчерский пункт (ЦДП)
2.4.5.2 Обобщенная структурная схема КС
2.4.5.3 Подсистемы цехового уровня управления
2.4.6 Состав и структура АСУ ПХД
2.4.6.1 Автоматизируемые функции объектов внедрения системы АСУ ПХД
2.4.6.2 Структурная схема АСУ ПХД
2.5 Выводы
Глава 3 Система формального описания в р-мерном пространстве аппаратуры автоматизированной системы управления технологическими процессам газотранспортного предприятия 82
3.1 Формальное описание ИУС с использованием характеристических функций
3.2 Формализация описания СУ КС 89
3.3 Связь с АСУ ПХД 100
107
3.4 Выводы 104
Глава 4 Экспертная система (ЭС) выбора программно-технической платформы ИУС ГТП
4.1 Назначение экспертной системы 107
4.2 Методологические основы и математическая модель работы ЭС при решении оптимизационной задачи выбора аппаратно-программной платформы для системы управления ГТП
4.3 Сравнительная таблица SCADA систем на основе .« ~ экспертных оценок
4.4 Функциональная и логическая структура ЭС 115
4.5 Выводы 122 Общие выводы и результаты 124 Список литературы 127 Список сокращений 135
- Актуальность проблемы автоматизации объектов ОАО «Газпром»
- Уровень существующей автоматизации процессов производственно-хозяйственной деятельности
- Формальное описание ИУС с использованием характеристических функций
- Методологические основы и математическая модель работы ЭС при решении оптимизационной задачи выбора аппаратно-программной платформы для системы управления ГТП
Введение к работе
Топливно-энергетический комплекс большинства стран, включая Россию, является одним из важнейших элементов, определяющих существование государства. Развитие всех секторов экономики и социальной сферы связано с ростом обеспеченности их энергией и в значительной мере экологически чистым энергоносителем - природным газом.
Открытое акционерное общество «Газпром», в основе которого лежит Единая система газоснабжения (ЕСГ) России, а также ближнего и дальнего зарубежья, является уникальным предприятием.
Его уникальность, прежде всего, состоит в том, что, 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, переработки и подземного хранения газа, а также занимается его распределением и реализацией. Он позволяет обеспечить надежное и эффективное газоснабжение коммунально-бытовых и промышленных потребителей, электростанций, а также экспорт в страны ближнего и дальнего зарубежья.
Основными структурными подразделениями ОАО «Газпром» являются 8 региональных дочерних предприятий по добыче и 14 региональных предприятий по транспортировке газа, которые эксплуатируют определенные участки ЕСГ и имеют между собой технологические границы, оборудованные газоизмерительными станциями.
В 2005 году, по данным годового отчета ОАО «Газпром» [11], впервые за время существования акционерного общества прирост объема разведанных запасов газа, составивший 583,4 млрд мЗ, существенно превысил объем его добычи - 547,9 млрд мЗ. Общая протяженность газотранспортной системы составляет более 155 тыс. км. Для сравнения приведу аналогичные данные для некоторых европейских и американских компаний. Так, например, крупная голландская газовая компания Gasunie, обеспечивающая природным газом Нидерланды, Бельгию, Германию, Францию, Италию, добывает и транспортирует ежегодно около 100 млрд. м , суммарная протяженность ее газопроводных линий составляет около 11,6 тыс. км. По данным Федеральной комиссии США по регулированию в области энергетики (FERC) на первом месте в США по транспортировке газа в последние годы находится компания «Transcontinental Gas Pipe Line Corp» [18]. Ею в 2005 г. транспортировано 120 млрд. м3. А лидером по суммарной протяженности магистральных газопроводов стала корпорация «Colambia Gas Transmission Corp».
Таким образом, ОАО "Газпром" является крупнейшей интегрированной газовой компанией мира, контролирующей 28,9 трлн. м3 запасов газа России. Доля участия ОАО «Газпром» в различных сферах государственной деятельности (валютные поступления от экспорта, налоговые поступления в бюджет и др.) весьма существенна и имеются объективные тенденции к ее росту.
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, решения финансово-экономических и административно-хозяйственных задач необходимо осуществление комплексного подхода к проблемам информатизации отрасли.
Данной проблеме посвящена настоящая диссертационная работа, направленная на разработку комплексной методики создания и внедрения корпоративных информационно-управляющих систем (ИУС) для крупных предприятий топливно-энергетического комплекса на базе современных информационных технологий, программно-технических средств и систем связи.
Данная методика должна соответствовать требованиям структурного проектирования, не противоречить нормативно-техническим документам Российской федерации и учитывать особенности предметной области [41]. Задача данной методики -установить порядок и правила разработки ИУС на всех стадиях жизненного цикла системы.
Современные подходы к созданию информационных систем ориентированы на обследование и описание деятельности компаний в виде развивающихся моделей, основанных на описании бизнес-функций и бизнес-процессов, а также на применении технологий и средств, удовлетворяющих стандартам открытых систем.
Следовательно, основной предпосылкой для проведения данной работы является исследование и анализ объекта управления для определения объективных исходных требований к создаваемой системе. Эти исследования были проведены на основе разработанных моделей:
• функциональной модели (стратегической модели системы);
• модели требований к ИУС;
• математической модели ИУС;
• модели технологии разработки ИУС.
Эти модели позволяют описать все виды деятельности компании, в том числе, все источники и всех потребителей данных (внутренних и внешних), сетевую архитектуру, регламент доступа к данным и режимы запросов удаленных данных, согласовать информационные ресурсы, описать основные требования к системе сбора и обработки информации, системам передачи данных, определить недостатки и «узкие» места, составить план разработки и наращивания информационной структуры.
Выбранную методологию должен поддерживать информационно-технологический базис, т.е. технология и общепризнанные технические и инструментальные средства. При существующем в СНГ и за рубежом многообразии вариантов программно-технической реализации средств автоматизации возникает проблема рационального выбора оборудования для различных компонентов ИУС. Ведь каждый компонент системы не является чем-то изолированным, он должен «сообщаться» со своим окружением через серию интерфейсов.
К тому же, использование в ИУС новых информационных технологий обходится предприятиям слишком дорого, а процесс его морального устаревания по мере развития научно-технического прогресса ускоряется, т.е. возникает необходимость сокращения цикла проектирования, изготовления и монтажа компонентов управляющей системы, ее запуска в эксплуатацию.
Поэтому необходимость разработки эффективных методов определения структур и компоновок ИУС с учетом технологического назначения системы и ее технико-экономической эффективности, определила еще одну предпосылку работы.
Диссертационная работа представлена в виде теоретического обобщения решения проблемы, имеющей научное и практическое значение.
Научная новизна исследования заключается в разработке методики функционального моделирования работы крупных предприятий газовой отрасли, методики оптимизации структуры сложных корпоративных ИУС и определении совокупности внедряемых программно-технических решений.
Практическая ценность настоящего исследования заключается в следующем:
•разработаны конкретная методика и точный алгоритм выбора элементов ИУС, позволяющие обеспечить единый подход к выбору технических характеристик оборудования, установить связи между конкретными объектами производства и элементами ИУС и оценить техническую совместимость различных компонент (к примеру, изготовленных различными производителями) и иерархических уровней ИУС на этапе проектирования системы;
•разработана экспертная система выбора компонент программно-технической платформы с их одновременной информационной, программной и технической интеграцией в рамках единой системы управления;
•разработан на основе предлагаемой методики и экспертной системы унифицированный комплекс типовых программных и технических решений и рекомендаций на базе СУ газотранспортного предприятия, готовых для внедрения или тиражирования в любых структурных подразделениях компании.
Актуальность проблемы автоматизации объектов ОАО «Газпром»
Сегодня руководству всех крупных отечественных предприятий приходится решать множество вопросов, связанных с существованием в условиях рынка. Изменение общей экономической ситуации требует проведения реорганизации предприятий и совершенствования систем управления производством. Как показывает опыт, наиболее разумное решение данной проблемы - автоматизация производственных процессов и внедрение единой интегрированной автоматизированной системы управления предприятием.
В прессе, как компьютерной, так и экономической, сегодня широко обсуждаются проблемы создания корпоративных информационно-управляющих систем, причем, уровень рассмотрения проблем колеблется от концептуального представления до разработки конкретных рекомендаций и технических предложений, готовых к внедрению.
Для современного уровня организации производства характерно наличие крупных концернов, имеющих подразделения и филиалы в различных регионах. При этом филиалы и структурные подразделения могут иметь свои индивидуальные функции и планы. Большое количество публикаций направлено на решение проблем отдельных структур предприятия и автоматизацию лишь некоторых фрагментов производства, его отдельных процессов, а не на исследование всего производственного цикла и организацию комплексной системы управления, обеспечивающей интеграцию разрозненных компонентов в единый производственный организм.
При подготовке данной работы был рассмотрен ряд изданий о современных подходах к автоматизации производства. Анализ материалов публикаций, использованных в данной работе, производится на основе таблицы 1.1.
Условно все вопросы, связанные с созданием и внедрением автоматизированных систем, можно разделить на 8 групп: 1. Обзор и анализ текущего состояния дел, видов деятельности и перспектив развития ОАО «Газпром» и его дочерних компаний; 2. Организационная структура, принципы производственно-хозяйственного взаимодействия структурных подразделений ОАО «Газпром»; 3. Создание автоматизированных систем управления технологическими процессами: 3.1.Организационно-технологические основы построения АСУ ТП; 3.2.Основные системные, функциональные и технические требования; 3.3.Структурные схемы; ЗАТехнические предложения по реализации; 3.5.Подходы внедрения; 4. Современные подходы к автоматизации производственно-хозяйственной и финансово-экономической деятельности предприятий.; 5. Методология создания больших корпоративных МУС, обеспечение интеграции подсистем в рамках единой системы управления (СУ) предприятием, (совместимость оборудования, информационная поддержка); 6. Методы моделирования производственных и информационно-управляющих систем, использование математических методов для создания системы формального описания создаваемой системы; 7. Методы искусственного интеллекта для решения сложных трудноформализуемых задач, возникающих при создании интегрированных ИУС;
Уровень существующей автоматизации процессов производственно-хозяйственной деятельности
Наиболее крупные месторождения природного газа, эксплуатируемые в настоящее время в Российской Федерации, располагаются в районах Крайнего Севера и Западной Сибири. Именно в этом регионе сконцентрировано около 75% запасов разведанного природного газа в РФ, что позволило создать в нем самый большой в мире территориально-промышленный комплекс по добыче углеводородного сырья. Его запасы сосредоточены в 74 месторождениях.
Газовое или газоконденсатное месторождение представляет собой сложную структуру, состоящую из большого числа элементов (пласт, скважины, трубопроводы и др.), взаимодействующих между собой на разных уровнях с оказанием влияния друг на друга.
Основной производственной единицей в газовой промышленности, с которой начинается эксплуатация газового месторождения, является газодобывающее предприятие (ГДП).
ГДП включает в себя пласт или ряд расположенных друг над другом газоносных пластов, сеть газовых скважин, дренирующих эти пласты, а также газопромысловые установки для подготовки газа к дальнему транспорту и систему внутрипромысловых газосборных сетей (ГСС) - межпромысловой коллектор.
Схема подготовки газа к транспорту, сложившаяся на газодобывающих предприятиях Крайнего Севера и Западной Сибири, показана на рис. 1.1 [45].
Скважины, ГСС (газосборные сети), установки комплексной подготовки газа (УКПГ), дожимные компрессорные станции (ДКС) и другие вспомогательные объекты образуют газовый промысел для крупных предприятий топливно-энергетического комплекса (ГП). Все ГП газопромыслового управления (ГПУ) соединены межпромысловыми коллекторами (МПК). В состав ГДП может входить несколько ГПУ.
Отдельные элементы данной системы рассредоточены на площади в несколько десятков и даже сотен квадратных километров, но все они взаимосвязаны и участвуют в едином технологическом процессе добычи газа. Фактически ГДП создается для эксплуатации пласта и одна из его основных задач -поддержание рационального режима разработки залежи.
Газоносный пласт и скважины являются главными объектами добычи природного газа. Свойства пласта, как объекта добычи природного газа, определяются составом породы газоносных коллекторов, их пористостью и проницаемостью, глубиной залегания и тепловым режимом пласта, содержанием и положением в нем различных вод и т.д.
Необходимое условие нормальной производственной деятельности объектов основного производства ГДП -высокопроизводительная и безаварийная работа газовых скважин и технологических установок, непосредственно определяющих добычу природного газа и качество его подготовки.
Как уже упоминалось выше, газовые промыслы соединены МПК, по которым газ подается на центральную дожимную компрессорную станцию или на головную компрессорную станцию, затем в магистральные газопроводы, являющиеся уже объектами газотранспортных предприятий.
Магистральные газопроводы представляют собой сложные объекты, в которые входят компрессорные станции, линейные участки, запорная арматура.
Основой современного газопровода является стальная труба диаметром от 720 до 1440 мм, по которой газ транспортируется под давлением до 7,5 МПа. Мощный магистральный газопровод, рассчитанный на большую пропускную способность, имеет, как правило, несколько параллельных труб (ниток), прокладываемых поочередно по мере освоения месторождения.
При движении газа по трубопроводу, обладающему гидравлическим сопротивлением, давление газа постепенно снижается, увеличивается его рабочий объем и, следовательно, скорость движения. При этом растут потери энергии, расходуемой на продвижение газа по трубопроводу, и сопротивление потоку газа, что приводит к ограничению пропускной способности газопровода.
Компрессорные станции (КС) повышают давление газа в газопроводе на 1,6-2,5 МПа, что примерно равно падению давления газа в трубопроводе при его движении по предшествующему КС участку, вследствие чего обеспечиваются условия постоянной объемной производительности магистрального газопровода.
Структурная схема дальнего транспорта и распределения газа приведена на рис. 1.2 [54].
Формальное описание ИУС с использованием характеристических функций
В соответствии с Уставом основными видами деятельности ООО «Сургутгазпром» являются: добыча и транспортировка газа и конденсата, производство дизтоплива, бензина, керосина, сжиженных и сжатых газов, ШФЛУ, стабильного конденсата, газа стабилизации, кислорода, азота, водорода, технического воздуха, пропана, бутана; строительство газопроводов и других объектов производственного и социально-бытового назначения; выполнение комплекса работ по монтажу, ремонту, наладке, техническому обслуживанию газопромыслового, газоперекачивающего, энергомеханического, насосно-компрессорного оборудования, металлорежущих станков, аппаратов (в том числе импортного оборудования) на объектах добычи, переработки и транспортировки газа и конденсата, в том числе во взрывоопасных и пожароопасных помещениях; монтаж, эксплуатация и ремонт объектов трубопроводного транспорта, взрывозащищенного электротехнического оборудования и аппаратуры управления, объектов котлонадзора и подземных сооружений; выполнение функций заказчиков-застройщиков по строительству и вводу в действие объектов производственного и непроизводственного назначения, строительно-монтажных работ подрядным и хозяйственным способом, ремонт зданий и сооружений производственного и непроизводственного назначения, строительство жилья; выполнение комплекса работ по монтажу, ремонту, наладке, техническому обслуживанию АСУ, средств автоматизации и контрольно-измерительных приборов; охрана окружающей среды при осуществлении всех видов деятельности; пр.
Условно можно выделить следующие типовые для предприятий газовой отрасли бизнес - процессы: учет и расчеты за газ и конденсат (определение добываемых и транспортируемых объемов, расчет стоимости добычи, транспортировки и переработки, управление контрактами на реализацию, переработку и транспортировку, учет поступления денежных средств, учет взаимозачетов, контроль и управление дебиторской и кредиторской задолженностью); финансовое планирование и управление (планирование бюджета, моделирование, анализ и контроль эффективности бюджета и/или его отдельных статей, планирование налогов и анализ бухгалтерской информации); управление проектами капиталовложения (учет проектов, планирование, моделирование и анализ бюджетов проектов, проведение открытых и закрытых тендеров); бухгалтерский учет предприятия (казначейство, учет основных средств, учет затрат, главная книга, учет товарно-материальных ценностей, расчет и учет зарплаты, дебиторская и кредиторская бухгалтерия и пр.); консолидация документов и отчетности по всем административно- хозяйственным подразделениям Предприятия; управление автотранспортом; управление персоналом Предприятия; техническое обслуживание и ремонт технологического оборудования; собственное строительство.
Очевидным условием достижения экономической эффективности деятельности любого предприятия газовой отрасли является оптимизация перечисленных выше процессов с максимальной их интеграцией.
Методологические основы и математическая модель работы ЭС при решении оптимизационной задачи выбора аппаратно-программной платформы для системы управления ГТП
Цель разработки экспертной системы (ЭС) - создание пакета программ, которые при решении задач, трудных для эксперта-человека при проектировании АСУ ТП ГТП, на основе эвристических знаний, получают результаты, не уступающие по качеству и эффективности решениям, принимаемым экспертом/разработчиком. Экспертная система решает трудноформализуемые задачи или задачи, не имеющие алгоритмического решения, повышая эффективность (при общем снижении затрат) проектных процедур. ЭС характеризуется следующими параметрами [56]: 1. Развитостью/мощностью базы знаний и возможностью ее пополнения, которые определяют проработанность и качество решений экспертной системы. 2. Эвристическим, экспериментальным характером знаний, позволяющих эксперту (или экспертной системе) получать эффективные решения задач. Причина этого заключается в том, что решаемые задачи, в большинстве случаев, являются неформализованными или слабоформализованными. Необходимо также подчеркнуть, что знания экспертов имеют индивидуальный характер. 3. Возможностью непосредственного взаимодействия пользователя (эксперта) с экспертной системой в виде диалога. 4. Способностью приобретать знания, являющейся основным источником мощности/эффективности ЭС. Процесс приобретения знаний делится на следующие этапы: 1. получение знаний от эксперта; 2. организация знаний, обеспечивающая эффективную работу системы; 3. представление знаний в понятном системе и пользователю виде.
Процесс приобретения знаний осуществляется на основе анализа деятельности эксперта, решающего реальные задачи, так называемым "инженером по знаниям" (knowledge engineer). Эвристический характер знаний делает их приобретение весьма трудоемким процессом. Трудоемкость и неформализованность этого процесса приводят к тому, что он является наиболее узким местом при создании ЭС.
К неформализованным задачам относятся такие задачи, которые обладают одной или несколькими из следующих характеристик: - задачи не могут быть полностью заданы в числовой форме; - цели не могут быть выражены в терминах точно определенной целевой функции; - не существует строгого алгоритмического решения задач.
Неформализованные задачи обладают следующими особенностями: ошибочностью, неоднозначностью, неполнотой и противоречивостью исходных данных; ошибочностью, неоднозначностью, неполнотой и противоречивостью знаний о проблемной области и о решаемой задаче; - большой размерностью пространства решения, т.е. перебор при поиске решения весьма велик; - динамически изменяющимися данными и знаниями. В ЭС используется символьный (а не числовой) способ представления, символьный выход и эвристический поиск решения (а не готовое решение, как в системах обработки данных).
Специфика приложения ЭС состоит в том, что ее решения обладают "прозрачностью", т.е. могут быть объяснены пользователю на качественном уровне (в отличие от решений, полученных с помощью числовых алгоритмов). Это качество обеспечивается способностью ЭС
рассуждать о своих знаниях и "умозаключениях". ЭС способна пополнять свои знания в ходе диалога с экспертом.
Круг задач, для решения которых используются экспертные системы, в настоящее время достаточно ограничен. Поэтому разработка достаточно развитой ЭС в области создания АСУ ТП актуальна.
Служебное назначение системы ЭС заключается в формировании системы управления основного и вспомогательного оборудования АСУ ТП ГТП. ЭС использует систему формального описания элементов СУ (с использованием характеристических формул, приведенных в предыдущей главе) для оптимизации процесса выбора. Рассмотрим фрагмент ЭС, определяющей спецификацию оборудования для СУ компрессорной станции (структурная схема и хар. функции приведены в гл.З).
Процесс оптимизации состава СУ можно представить в виде ориентированного взвешенного графа G = (X, Е), такого, например, как на рис.3.3. Весами дуг графа являются экспертные оценки выбора того или иного варианта программных и технических средств, а также их совместимость.
Очевидно, что после построения графа G возникает задача выбора тех дуг, сумма экспертных оценок которых была бы максимальной. Иными словами, нужно определить в графе G = {X,T), дугам которого приписаны веса (стоимости), задаваемые матрицей С = [с«], пути от заданной начальной вершины S є X до заданной конечной вершины ТєХ с максимальным весом, при условии, что такой путь существует, т. . при условии Т є R(S) и элементы матрицы весов с у О для V/, j, где R(S) — множество, достижимое из вершины S. Случай отрицательных элементов матрицы весов исключается из рассмотрения.
Эффективный алгоритм решения задачи о кратчайшем (S - Г)-пути дал Дейкстра. Этот метод основан на приписывании вершинам верхних пометок, причем, пометка вершины дает верхнюю границу длины пути от S к этой вершине. Эти пометки (их величины) постепенно уменьшаются с помощью некоторой итерационной процедуры, и на каждом шаге итерации точно одна из временных пометок становится постоянной. Последнее указывает на то, что пометка уже не является верхней границей, а дает точную длину кратчайшего пути от s к рассматриваемой вершине.
