автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Исследование и разработка методов автоматизированного управления технологическими процессами и их конфигурациями в производствах поточного типа

УДК 658 012 011 56 681 516 7 На правах рукописи

Брапиштов Сергей Александрович

Исследование и разработка методов автоматизированного управления технологическими процессами и их конфигурациями в производствах поточного типа

Специальность 05 13.11 - «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных

сетей»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2008

1 1 1

003445111

Работа выполнена в лаборатории №3 Института проблем управления им В А Трапезникова Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Амбарцумян Александр Артемович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Девятков Владимир Валентинович

доктор технических наук, профессор Абрамова Нина Александрова

Ведущая организация:

Институт проблем передачи информации РАН

Защита диссертации состоится

11 часов на заседании

Диссертационного совета №3 Д002 226 03 при Институте проблем управления им В А Трапезникова РАН по адресу 117997, Москва, ул Профсоюзная, д 65, малый конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЛУ РАН

Отзывы по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу. 117997, Москва, ул Профсоюзная, д65, ученому секретарю Диссертационного совета №3 Д002 226 03 Юркевечу Е В

Автореферат разослан сги?/1Л

Ученый секретарь Диссертационного совета, д т н, проф

ЕВ Юркевич

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации.

За последние четверть века автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) получили значительное развитие. Произошло расширение возможностей технической и инструментальной базы создания АСУ ТП Человеко-машинные интерфейсы приобрели новые качества в эргономике, скорости обновления информации, интеллектуализации В среде прикладных средств построения АСУ ТП свершилась своего рода интеграция между средствами сбора данных, их обработки и хранения, средствами визуализации и средствами логического управления технологическим процессом Функционал, качество и надежность систем за счет этого повысилось Однако, если раньше доля аварий по причине техники составляла большую часть всех нештатных ситуаций, то в последнее время, в силу повышения надежности и усложнения функциональности технических средств, ситуация поменялась на обратную теперь доля ошибок человека значительно превышает технические сбои Это является следствием перемещения роли слабого звена в схеме управления с техники на человека, поскольку технический прогресс опережает эволюцию биологических способностей человека, то есть надежность принятия решений и профессионализм человека со временем меняется слабо При сохранении в схеме управления доли человеческого участия, мы получим обратно пропорциональную этой доли надежность системы управления, ведь, по-прежнему остается влияющим «человеческий фактор» Если современные системы с легкостью справляются с управлением параметрами процессов, то все еще имеют пробелы в функциях координации нескольких технологических процессов, контроля соблюдения технологии, контроля деятельности персонала на объекте

Вопросы координации технологических процессов и оптимизации взаимодействия с человеком исследованы как в работах отечественных ученых Прангишвили И В, Волика Б Г, Ицковича Э JI , Амбарцумяна А А, Абрамовой H А, так и зарубежных исследователей Edgar Chacon, Isabel Besembel, Jean Claude Hennet, а также NourelfathM и Niel E Методы событийного моделирования технологических процессов разрабатывались W M Wonham, С G Cassandras, Stewart Robinson В последние годы Амбарцумян А А и его коллеги в своих работах разрабатывают новую методику управления в АСУ ТП основанную на включении событийных моделей в контур управления В диссертации это направление развивается в сторону разработки на основе технологических регламентов моделей активных сценариев для координированного управления событийными моделями

процессов и агрегатов

Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы снизить риски ошибок человека при управлении технологическим процессом для чего исследуются существующие и разрабатываются новые методы автоматизации технологических процессов (ТП), разрабатывается новая схема управления, уровень автоматизации управления в которой повышен за счет включения в схему управления регламентов и ограничения участия оператора в управлении

Для достижения этой цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи

1 Провести анализ современного состояния автоматизированных систем управления технологическими процессами промышленных предприятий поточного типа с целью оценки уровня автоматизации и роли человека в контуре управления

2 Исследовать традиционные методы построения АСУ ТП поточных производств, выделить их недостатки

3 Предложить методы моделирования технологических объектов и построения схемы управления, позволяющие разрабатывать системы автоматизации на более высоком уровне, с более плотным покрытием функций управления объектом

4 Разработать набор моделей для описания поведения технологического объекта управления (ТОУ) и схему управления на их основе в составе

- для описания структуры ТОУ - модель технологической сети,

- для моделирования простейшей единицы управления, элемента ТОУ и узла технологической сети - модель агрегата,

- модель продуктопровода - для представления средства транспортирования материалов и элементов сети, связующих агрегаты,

- модель описания структуры, режимов и жизненного цикла простейших (базовых) технологических процессов на участке сети,

- для упрощения моделирования сложных технологических объектов разработать модель сложносоставных (комплексных) процессов, описывающих взаимодействие нескольких базовых процессов,

- модель технологического сценария (регламента) - для представления обобщенного алгоритма управления ТОУ на основе

координированного управления процессами согласно требованиям технологического регламента, - модель диалога автоматизированной системы с оператором, обеспечивающую человеко-машинный интерфейс с активными сценариями управления

5 Разработать методику применения моделей для построения системы автоматизации, и определить основные подходы к проектированию системы с использованием новой схемы управления

Объект исследования — АСУ ТП производственных предприятий с технологическими процессами непрерывного поточного типа нефтегазодобывающих, водоочистных, водообеспечивающих,

электроэнергетических, хранилищ и переработки сыпучих материалов и т п

Предмет исследований - управление технологическими процессами, организация и методы управления, уровень автоматизации различных контуров управления, роли человека в управлении процессом

Методы исследования базируются на приемах системотехники, теории конечных автоматов, теории графов, прикладном программировании, стандартах проектирования АСУ ТП, опыте проектирования, внедрения и обслуживания автоматизированных систем управления

В ходе проведения исследований использовались труды отечественных и зарубежных ученых в области автоматизированных систем управления В качестве источников были использованы материалы научных трудов, периодики, конференций и семинаров

Научная новизна работы заключается в разработке средства формального представления технологического регламента в схеме управления, в частях оперативного управления ТП и реакции на критические события С помощью предлагаемого средства появляется возможность повысить уровень автоматизации управления ТП, на тех этапах управления, где принимаются решения персонала, базирующиеся на нормативной документации Кроме того, новизна работы в предлагаемом комплексе моделей и схеме управления ориентированных на автоматизированное управление параметрами и структурой технологических процессов поточного типа

На защиту выносятся следующие результаты:

- Методы моделирования технологических объектов и построения схемы управления,

- Расширенные событийные модели технологического оборудования и производственных участков агрегатов, продуктопроводов, локальных

(базовых) технологических процессов, сложносоставных (комплексных) ТП,

- Разработанные модели технологических сценариев, диалогов автоматизированной системы с оператором,

Основные результаты исследования, имеющие практическое значение

- методика применения этих моделей для построения АСУ ТП.

Практическая ценность работы заключается в том, что основные

положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение разработанной методики проектирования АСУ ТП на различных производствах поточного типа и создают методологическую базу для модернизации действующих систем Результаты диссертационной работы доведены до конкретных моделей и методов

Апробация и внедрение результатов исследования. Проведенные в диссертации исследования непосредственно связаны с планами научно-исследовательских работ ИПУ РАН выполняемых по федеральным и региональным программам, соответствуют теме «Разработка моделей, методов логического управления и механизмов взаимодействия специалистов различного профиля в производственных процессах, включая технологию и техническое обеспечение с целью поддержания безопасности и эффективности потенциально-опасных производств поточного типа»

Основные результаты работы были доложены и одобрены на

- IV международной конференции "Математическое моделирование в образовании, науке и производстве" (Молдова, Тирасполь, Приднестровский государственный университет, 2005),

- II и III международной научно-технической конференции по проблемам управления (Москва, ИПУ РАН, 2003,2006),

- 9th IFAC Symposium on Automated Systems Based on Human Skill And Knowledge (Nansy, France, 2006),

- Всероссийская молодежная научная конференция по проблемам управления (Москва, ИПУ РАН, 2008),

- различных семинарах ИПУ РАН,

Основные положения диссертации были использованы в проектах АСУ ТП объектов подготовки нефти Центрального товарного парка (ЦТП), Комплексного сборного пункта №3 (КСП), КСП-5, КСП-9 СНГДУ-1 ОАО «Самотлорнефтегаз» и Дожимной насосной станции №33 (ДНС) СНГДУ-2 ОАО «Самотлорнефтегаз», реализованных компанией Информационные бизнес системы (Москва) Для каждого из проектируемых объектов были разработаны

и включены в раздел математического обеспечения проекта событийные модели агрегатов и технологических процессов, реализующих алгоритмы управления технологическим оборудованием, а также новая схема управления производственным участком на основе технологического сценария С помощью разработанной автором методики был реализован прототип программного обеспечения контроллера и интерфейс оператора

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения Общий объем диссертационной работы 120 страниц машинописного текста, включает 37 таблиц и 38 рисунков

Содержание работы В главе 1 проводится анализ традиционных схем управления процессами и технологией в целом в системах управления производством исследуются особенности управления технологическими процессами в поточных производствах и роли человека в схеме управления, оцениваются традиционные подходы к реализации алгоритмов управления и схема управления на основе событийных моделей, исследуется нормативная документация по ведению ТП как звено в схеме управления, делаются выводы об исследовани проблемы и ставятся задачи диссертации

Поточные производства это такие непрерывные (энергетика, нефтепереработка, водоподготовка, водоснабжение и т п) и непрерывно-дискретные (металлургия, химия и т п) производства, основные технологические процессы которых состоят из множества разнородных потоков материалов, и задачи управления процессами в которых заключаются не только в управлении параметрами, но и в формировании необходимой структуры потоков Здесь, наряду с основными потоками обработки целевого продукта в технологические системы включаются обеспечивающие потоки потоки охлаждения, смазки, сбора утечек, обеспечения безопасности и пр Вследствие этого, задачи формирования потоков материалов через соответствующее оборудование (то есть задачи формирования структуры потоков) превращаются из вспомогательных в определяющие Поэтому оправданно производства такого типа назвать производствами с поточной технологией Именно в этом контексте в настоящей работе используется этот термин для названия технологических процессов непрерывных и непрерывно-дискретных производств

Рисунок 1 иллюстрирует традиционную схему управления современных

5

АСУ ТП, в которых человек - наивысшее звено, осуществляющее управление технологией путем координации выполнения набора стандартных функций системы управления

Планирование процесса ^

Организация технологии ^ Технолог

- О

3 Управление ТП_^^

/у Реакция на события ^

ОператорТП^^ \ Контроль процесса

Индикация ' / \ \ Программно-логическое Сигнализация I _ ' ,

Регулированы | Защиты и блокировки

Дистанционное управление Рис 1 Человек в управлении технологическим процессом

В рамках автоматизированной системы управления персонал как инициирует выполнение этих функций, так и имеет доступ к результатам их исполнения, на основе чего он и планирует свои действия по управлению технологическим процессом (ТП) В традиционной схеме он находится над всеми задачами, являясь инициирующим и контролирующим звеном цепочки управления Здесь средств независимого контроля действий персонала не имеется, отсюда - неуправляемая возможность ошибок человека На рисунке цифрами показаны задачи по управлению технологическим процессом и их распределение по уровням принятия решения Оперативные задачи управления, контроль процессов, реагирование на события решаются оперативным персоналом, а организация технологии и планирование процесса - технологами производства

Сопоставление совокупности всей текущей информации о процессе и исторических данных с требованиями технологии производства выполняется оператором и технологом самостоятельно, без помощи каких-либо средств автоматизации Требования технологии содержатся в представлении человека о технологическом процессе Эти представления формируются нормативными документами, регламентами, инструкциями. Следовательно, связь между технологическим процессом и требованиями к управлению им проходит через неформализованное звено - человека, который и осуществляет сравнение текущих параметров и режимов с требуемыми Основная проблема состоит в качестве анализа текущей ситуации и оптимальности выбора управления При

б

этом возможна ошибка человека как в определении причины ситуации, так и в правильности проведения процедуры по восстановлению оптимального режима работы объекта

Поскольку регламент есть основной нормативный документ, определяющий нормы и правила ведения технологического процесса, то он является неотъемлемым элементом схемы управления процессом Традиционно в АСУ ТП всегда заносятся те нормы процесса, которые могут быть измерены датчиками или рассчитаны по формальным алгоритмам (пределы параметров, уставки блокировок, защит и сигнализаций) Информация эта четко представлена в регламенте в виде таблиц, формул, графиков и поэтому ее не сложно перенести в АСУ На рисунке 2 показаны виды и роль информации, представленной в регламенте, и производные от нее функции участников схемы управления

Однако не всегда удается возложить на АСУ контроль технологии производства и соблюдения последовательности производственных операций, их длительности и характера воздействия на материалы поскольку нет действенных методов формализации подобной информации и представления их в виде математических моделей По большей мере именно операторский и диспетчерский персонал выполняет эти обязанности Информация об условиях и организации нормальных режимов эксплуатации оборудования, переходных режимах пуска, останова и реконфигурации процесса, описанная в регламенте используется именно оперативным персоналом при управлении и контроле ТП

В настоящей работе ставится цель снизить уровень ошибок персонала при управлении технологическим процессом Направление достижения поставленной цели основывается на допущении, что при высоком уровне автоматизации, большая часть управляющих воздействий выполняется через систему автоматизации, поэтому есть возможность контролировать действия человека при управлении процессом средствами АСУ ТП Предлагается решение этой задачи путем переложения части функций человека при управлении процессом на автоматизированную систему, а также наделения системы функциями контроля действий и полномочий персонала Чтобы автоматизировать достижение технологических целей необходимо внести в систему параметры процесса, при которых достигаются цели управления и соблюдается технология, а также возможные сценарии достижения этих целей Чтобы снизить ошибки человека необходимо снабдить АСУ ТП информацией о возможных управляющих действиях персонала, его ролях в схеме управления, полномочиях и обязанностях, тогда в режиме диалога система сможет подсказывать и направлять действия человека в соответствии с ситуацией на объекте управления

Традиционные подходы программно-логического управления (ПЛУ) и функционально-группового управления (ФГУ) не решают подобных задач Эти методы подразумевают четкие логические зависимости команд управления от событий в ТП В настоящее время используется множество методов описания таких зависимостей и реализации ПЛУ в системе управления, например конечные автоматы и логические функции для дискретного управления по событию, параметрические функции - для регулирования, наряд-заказы и квитирование событий - для фиксирования организационных мероприятий при управлении ТП Однако не всегда возможно установить необходимые четкие действия по управлению процессом для всех событий, а следовательно и формализовать многие операции управления Также с помощью ПЛУ невозможно описать задачу организации процесса или его обеспечения, например, не удается описать задачу организации и координации потоков материалов Не удается формализовать и контролировать действия персонала при исполнении правил ведения ТП, которые заданны регламентом

Известны методы описания структуры потоковых технологических сетей для формализации и управления ими В работе Амбарцумяна А А и Казанского Д Л предложен подход к логическому управлению процессами, основанный на обследовании текущего состояния структуры технологических потоков по их логической модели с использованием в механизмах управления структурой потоков принципа управления с обратной связью по отклонению текущего состояния структуры от требуемого Схема управления технологическими процессами по этой модели имитируют действия оперативного персонала при управлении процессами по состоянию Для решения этой задачи были разработаны событийные модели (СМ) компонент агрегатов, процессов и технологической сети Этот набор событийных моделей достаточен для имитации поведения структуры объекта управления. В модели процесса (его структуре, состояниях, параметрах, функциях защит и автоматического управления) отражается все важное для управления, из того, что происходит в реальном технологическом процессе во всех фазах его жизненного цикла проверка реализуемости, запуск, работа в заданном режиме, разборка и т д

В результате анализа традиционных подходов к управлению потоковыми производствами стало ясно, что именно с помощью событийных моделей удобно описывать конфигурацию участка технологической сети и задавать варианты их поведения. Однако, апробация событийного моделирования на реальных задачах показала трудности с размерностью матриц, описывающих модель процесса, и отсутствие средств представления последовательности включения в работу моделей отдельных процессов и их взаимодействия.

Технологическая схема

Производственная схема

Рецептура производства продукта

Обеспечение процесса ресурсами

Конфигурации процесса

Обслуживание оборудования

Порядок пуска, останова, реконфигурации процесса

Мероприятия по обеспечению безопасности

Мероприятия по ликвидации аварий

Обязанности и зона ответственности персонала

Режимы установок

Состояния оборудования

Допустимые пределы параметров процесса

Уставки регулирования и защит

Аварийные события

Организация технологии Контроль соблюдения технологии Планирование процессов

Обеспечение анализа качества продукции, учет Учет расхода материалов и ресурсов

Контроль параметров процесса

Коррекция параметров, адаптивное управление

Операции пуска, останова, реконфигурации сети

Обеспечение ресурсами

Организация техобслуживания оборудования

Контроль безопасности

Регистрация проводимых мероприятии

Индикация

' I I \ Программно-логическое управление

Сигнализация

регулирование 1 Защиты и блокировки

Дистанционное управление

Рис 2. Функции управления на основе информации из регламента

Ряд методических вопросов выделение процессов, стыковка их друг с другом, настройка агрегатов, принадлежащих нескольким процессам одновременно, также остались за рамками. Кроме того, ни СМ, ни другие подходы не предоставляют средств моделирования важнейшей компоненты схемы управления потоковыми технологическими процессами - регламента, фактически определяющего цели функционирования производственного объекта и правила управления им

В настоящей работе разрабатываются модели и процедуры передачи функций контроля процесса, реакции на события и управления ТП от оператора АСУ ТП Рассматриваемый подход развивает схему на основе событийного моделирования, предложенную Амбарцумяном А А и Казанским Д Л, путем введения модели активных сценариев Активные технологические сценарии реализуют алгоритм достижения цели управления, формируют требуемую структуру технологической сети, учитывают разделение ролей персонала и ограничение воздействия на объект управления

В главе 2 разрабатывается формальная модель технологического сценария (ТС) реализующая часть функций технологического регламента и модели диалога автоматизированной системы с человеком

Правила, на основе которых человек принимает решение при управлении, описываются в технической документации к технологическому объекту, это -регламенты, инструкции, директивы и предписания, плюс эмпирические знания о технологических процессах объекта, накопленные персоналом при эксплуатации объекта В процессе выбора решения персонал обязан следовать этим правилам Однако на этот процесс сильно влияют свойства человека (невнимательность, забывчивость, усталость, страх и т п), которые могут отрицательно повлиять на выбор управляющего воздействия. Уменьшить влияние человеческого фактора на процесс принятия решения для этих задач позволят инструменты автоматизированного управления, во-первых, обладающие теми же знаниями, что и человек, и, во-вторых, имеющие возможность управлять всем оборудованием в комплексе, ориентируясь на стратегические планы и технологические цели

В качестве таких инструментов предлагаются интерактивные сценарии управления технологией Правила и нормы ведения технологических процессов, описанные в нормативных документах, переносятся в сценарии при их создании. Стратегические планы в сценариях воплощаются в виде заранее описанных экспертами методов и процедур последовательного достижения технологических целей, реакций на события, выводов на режим, реконфигурации основных технологических циклов, плановых работ по

обслуживанию и ремонту, комплексов работ по ликвидации чрезвычайных ситуаций ТС предоставляют новые возможности управления как непосредственно технологическим процессом, так и действиями человека в последовательности процедур управления ТП (рис 3) Функции персонала сокращаются до исполнения этапов сценария и контроля действий технических исполнителей Формализация регламента добавляет еще один уровень в модели событийного управления

Алгоритм организации управления ТП-Тсинологический сценарий

О

Событийная модель комплексных ТП

О

Событийная модель базовых ТП

О

Событийная модечь агрегатов

руководство выбором варианта гтравпсния,

координация различных исполнителей контроль исполнения заданий

Исполнение заданий ТС по управлению и руководству техническим персоналом

]

Рис 3 Уровни иерархии событийных моделей

Технологические сценарии предлагается использовать для разработки ограничительных интерактивных конструкций, ориентированных на различные роли и специализацию персонала Имеется потребность в том, чтобы разграничить управление по должностям и таким способом дополнительно снизить долю ошибок человека при управлении ТП, вызванных несоответствием уровня решений и полномочиями персонала, когда человек может совершить ошибку в силу недостаточности квалификации «чужого» уровня управления Технологические сценарии регламентируют различные типы взаимодействия между персоналом и технологическим процессом в зависимости от уровня управления оператор, мастер, технолог, начальник объекта Для этого в ТС предусматривается персонализация интерфейсов и сообщений для каждого уровня Схема управления содержит выбор типа диалога, по уровням управления, разделяя посылку информации между ответственными лицами

Совместное использование технологического сценария с набором предложенных ранее событийных моделей позволяет построить новую схему управления, в которой можно будет перенести часть функций оператора на систему автоматизации На рис 3 показана иерархия событийных моделей ТОУ и их место в контуре управления

Управление технологическими целями - это выбор последовательности действий по организации или изменению параметров и хода процесса для

достижения определенной цели Например, целью может быть определенное качество продукта или конфигурация технологической сети Целенаправленное управление ТП формируется в два этапа1 первый - это непрерывное или периодическое наблюдение за состоянием агрегатов и значением параметров процесса, и второй - последовательность действий по модификации состояний исполнительных агрегатов на объекте управления Этот процесс формирования задач управления циклически замкнут, то есть, по результату наблюдения принимается решение об управляющем воздействии на технологический процесс, затем снова наблюдение и так далее

В автоматизированных системах для мониторинга ТП, как правило, используется система условий, в соответствии с которой значения параметров и состояния оборудования преобразуются в команды управления Команда управления может либо непосредственно воздействовать на исполнительный механизм, или же вызывать целую цепь управляющих действий по формированию требуемого режима технологического процесса

Алгоритмы управления предлагается организовывать в виде сценариев достижения технологических целей управления Сценарии определяют последовательность изменения режимов процессов, протекающих в объекте управления По этим сценариям формируются последовательности автоматических команд на исполнительные механизмы и ручных работ на объекте, контролируется ход технологического процесса и пр Например, сценарий поддержки основного технологического цикла - по сути, основной алгоритм управления технологическим процессом, который выполняется все время, пока работает производство Возможны также отдельные сценарии для решения частных производственных задач, выполняемых по возникновению определенных событий, например, сценарий поддержки принятия решения при возникновении чрезвычайной ситуации или сценарий организации взаимодействия персонала при проведении ремонтных работ Сценарий может быть иерархическим, если на каком-то этапе требует достижения промежуточной цели и для этого имеет в своей позиции инструкцию выполнения (вызова) другого сценария

Как правило, варианты управления разрабатываются для каждого технологического объекта индивидуально, с учетом свойств установленного оборудования и конфигурации технологической структуры Однако для типовых объектов стратегическое управление достижением целей и управление технологией, в целом, одинаково Например, процедуры ликвидации чрезвычайной ситуации на линейном участке магистрального газопровода типизированы и имеют общую последовательность действий Это дает право разрабатывать общие технологические сценарии контроля и управления

12

технологией на основе регламентов таких объектов При реализации системы управления эти сценарии, безусловно, потребуют детальной адаптации в момент привязки их к конкретному объекту, которая должна учитывать особенности объекта Возможность строить систему управления на базе типовых алгоритмов и заранее определенных в моделях обязательных требований для подобных объектов упрощает разработку системы и гарантирует выполнение этих требований за счет типовых моделей

Модель технологического сценария определяется способом задания структуры алгоритма исполнения сценария, типами команд и операций, выполняемых сценарием, жизненным циклом сценария, схемой функционирования сценария в системе управления

Модель технологического сценария представляется набором

TS=(STR, INST, LCS), где STR - структура алгоритма исполнения сценария, определяет последовательность выполнения команд и операций Структура сценария задается графическим способом с помощью графа операций, в котором порядок исполнения команд определяется графом переходов, или табличным способом, при котором последовательность интерпретации строк таблицы определяется номерами в специальном поле, либо в виде мнемонической записи функции следования инструкций и условий перехода между ними Формально структуру технологического сценария заданного графом можно представить как набор

STR = (Р, Е),

где P={pq | qe 1р} - множество позиций графа, а 1Р — множество индексов его элементов, Е={етп | т,п е 1р} - множество невзвешенных дуг ориентированного графа, 1Р- множество номеров инцидентных позиций, Позиция графа это кортеж

Р = <insf, sc,fc, тГ>, содержащий набор инструкций используемых в этой позиции сценария с аргументами исполнения msf=<instr(arg)>, instr с INST, логическое условие разрешающее исполнение позиции - sc, условие (признак) завершения исполнения позиции (всех ее инструкций) —fc, mV — частный набор условных инструкций контроля параметров технологических процессов, хода управления, технологии и пр, предназначенный для добавления в общий лист мониторинга

INST = {inst, I relp} - множество нумерованных типов инструкций и команд используемых в сценарии В контексте системы управления

реализованной на основе событийных моделей агрегатов и процессов в

позициях сценария возможны следующие типы инструкций

• Команды управления агрегатами и контроля их состояния, такие как о Сменить состояние агрегата (примеру^ =3 или а?),

о Опросить положение агрегата у (а)

• Команды управления моделями технологических процессов

о Запустить процесс в указанной конфигурации (режиме) Пример ЛУ1-12 - установить процесс ЛУ1-1 в режим 2 Если процесс пассивен в данный момент, то он запускается, о Перевести процесс в определенный режим о Завершить процесс StopPr(Jiyi-l)

• Команды манипулирования технологическими сценариями

о Запуск сценария Пример ТС5 - без операндов, ТС14(ЛУ-1-1) - запуск

сценария обслуживания процесса ЛУ-1-1, о Приостанов сценария Pause, о Останов сценария End,

• Диалоги с оператором

о Запрос на подтверждение или ввод данных о событии, квитирование

событий и автоматических команд управления, о Запрос значения параметра Пример диалога - Сообщение «Введите

значение уставки», поле ввода, действия «ОК», «Отменить», о Запрос выбора варианта управления, таких как выбор конфигурации процесса, выбор направления исполнения сценария, выбор параметров для мониторинга Пример диалога - Сообщение «Участок ЛУ-1-1 был отключен, для сохранения производительности требуется перераспределить нагрузку на дополнительную нитку МГ Выберите нитку МГ а) 2 нитка, б) 3 нитка, действия выбор позиции, «ОК», «Отменить»

о Запрос имени дополнительного сценария на исполнение Сообщение «Выберите сценарий для выполнения», перечень сценариев, действия «Выбрать», «Отменить», о Запрос имени процесса для конфигурации структуры технологической сети Сообщение «Требуется запустить насосы внешней откачки Выберите из перечня », список насосов, «Выбрать», «Отменить», о Координирование техническими работами инструкции оператору по обеспечению технологических процессов, наряд-заказы на работы по обслуживанию Ш, координация нескольких служб для выполнения одной задачи Пример - Сообщение «Произвести ремонт насоса НВО-2», действия «Сформировать наряд», «Отложить», «Отменить»

о Комплексное управление процессами запуск-останов процесса, выбор конфигурации, выбор параметров для мониторинга Для контроля средствами сценария параметров процесса, аварийных защит, блокировок, сигнализации и тп используется набор контролируемых условий с соответствующими командами реакции системы автоматизации Для задания условных инструкций тГ в позиции применяется секвенциальная форма записи «Если < условие> То <инструкция>» или «<условие> —* <инструкцш>» Здесь <условием> является логическое выражение, аргументами которого могут быть параметры и уставки техпроцесса (в автоматизированной системе представляются тэгами Б С АО А- системы и ОРС-сервера или базы данных), состояния оборудования (они выражаются через тэги или состояния моделей агрегатов), фазы и состояния моделей ТП, а также неформальные знания о ходе техпроцесса А <инструкция> -1тС=<т5&(агц)>, \nstr сШТ

Такие условия и соответствующие им команды собираются в лист мониторинга При активизации сценария система добавляет в лист мониторинга условия его работы, а по завершению удаляет Функция добавления условия в лист мониторинга имеет вид-

Ас1с1Бд (<условие> —> <инструкция>) По завершению работы сценария, либо при изменении задач контроля и управления, некоторые условия могут быть отменены, тогда для удаления из листа мониторинга соответствующих секвенций используется функция, которая помещается в позицию сценария

£)е/5<7 (<услоеие> —> <инструкцш>), ЬСБ - жизненный цикл технологического сценария определяется перечнем состояний и правилами их смены Жизненный цикл сценария наглядно может быть представлен графом на рис 4

Здесь ё, - экземпляр модели диалога (определяется далее)

Диалоги управления сценарием ¿] - запустить, ¿¡ — прерывать и завершить,

- приостановить, с?¡- продолжить исполнение, <?] - запрос действия оператора, е, - внешнее событие

Рис 4 Жизненный цикл технологического сценария

В состоянии Бо «Остановлен» сценарий не востребован системой управления, его выполнения не происходит Для оператора сценарий в этом

15

состоянии находится в списке пассивных сценариев По команде оператора й] или по инструкции из другого активного сценария, пассивный сценарий может быть вызван на выполнение В этом случае он переходит в состояние «Активен» и перемещается в список активных сценариев Происходит последовательная интерпретация позиций сценария, исполнение команд и инструкций Если в какой-либо позиции присутствует инструкция оператору с подтверждением выполнения или запрос выбора управления с/5, то при выполнении этой позиции сценарий переходит в состояние Б2 «Ожидание», и находиться в нем до тех пор, пока не поступит ответ оператора с!4 Если при выполнении нескольких параллельных ветвей сценария в одной из них выполняется безвременный запрос оператору, то только эта ветвь находиться в состоянии ожидания, а сценарий продолжает выполняться по остальным Сценарий может быть приостановлен по команде оператора с? или по инструкции из другого сценария е, В этом состоянии инициированные сценарием процессы продолжают работу в текущих режимах и остаются под контролем системы автоматизации, а интерпретация и исполнение новых позиций сценария не выполняется В состояние «Остановлен» сценарий переводится, когда все его позиции выполнены, и цель управления достигнута, либо по команде оператора с?2

Технологический сценарий предназначен для выполнения определенной задачи управления объектом Для каждой задачи создается свой сценарий достижения цели, который на уровне управления заранее описанными моделями процессов и установок шаг за шагом формирует требуемую структуру и режим работы производственного объекта Сценарий производит настройку необходимых режимов работы процессов и установок, руководит техническим персоналом для выполнения неавтоматизированных действий, подсказывает оператору о развитии ситуации при выборе им альтернативных команд Технологу производства предоставляется множество сценариев соответствующих различным технологическим задачам Из этого множества выбирается актуальный в данной ситуации сценарий и запускается на исполнение

Модель диалога устанавливает правила взаимодействия автоматизированной системы с оператором Для каждого случая обращения к оператору должен быть сформирован диалог необходимого вида и формы Диалог описывает текущую ситуацию, обозначает цель обращения и запрашивает реакцию человека. Формат диалога задается для каждого случая моделью диалога, которая определяет информативные сообщения оператору, инструкции к исполнению, варианты ответов, допустимое время реакции на запрос и ответ, принимаемый по умолчанию Возможны следующие виды

16

диалогов

Диалоги, используемые в модели агрегатов

• запрос положения агрегата, запрос визуальных параметров агрегата;

• инструкция по установке агрегата в требуемое положение, команда на ручное управление и подтверждение исполнения команды,

Диалоги, используемые в модели процесса

• в листе мониторинга, для информирования об изменении режима процесса, отработке технологических и аварийных защит,

• для запроса состояния неавтоматизированных агрегатов, установок, параметров процесса, и проверки прочих условий допустимости запуска режима процесса,

Диалоги, используемые в технологическом сценарии

• запрос выбора варианта управления,

• запрос имени дополнительного сценария на исполнение,

• запрос имени процесса для конфигурации технологической сети,

• запрос имени агрегата для конфигурации технологической сети,

• запрос факта события,

• запрос значения переменной настройки,

• квитирование сообщений и автоматических команд,

Формально диалог задается в системе следующей структурой

D = < Sh, t, Р, Kl, г >,

где

Sh - схема диалога определяет порядок взаимодействия пользователя с системой, описывая форму диалога, запросы и сообщения пользователю, а также возможные варианты реакции оператора по данной схеме Схема диалога представлена набором

Sh = < F, Q, Ans, ans0 >,

здесь F - форма диалога задает интерфейс вывода сообщений и органы управления Форма диалога, например, задает изображение всплывающего окна, его форму и размеры, размещение на нем текста, инструкции пользователю, кнопки управления, поля ввода информации и прочие атрибуты интерфейса Формы диалогов типизированы, поэтому может быть заранее разработан небольшой набор актуальных форм, а затем готовые формы использоваться для построения различных схем диалогов,

Q - набор сообщений пользователю выводимых в диалоге Это могут быть инструкции для выполнения или команды, декларативные сообщения и запросы данных,

Ans - правила определяющие допустимые варианты ответа Это может быть список возможных ответов ans¡, ans2 ans„, или пределы допустимых значений вводимой величины, и прочие условия проверки достоверности ответа пользователя,

t - время ожидания ответа оператора Когда вариант решения может быть принят по умолчанию вместо человека, то он выбирается автоматически через заданное время,

ans0 - переменная определяющая значение результата диалога по умолчанию, как раз то, которое принимается автоматически если оператор на успел дать ответ на запрос диалога

Р - структура определяющая права реакции на диалог по группам пользователей системы Группы пользователей создаются в соответствии с полномочиями и ролями при управлении технологическим процессом, а данная структура задает группам такие права как отображение этого диалога, квитирование сообщения, закрытие диалога, выбор управления, ввод уставки и пр С помощью этой структуры Р выполняется распределение видов диалогов и соответственно видов управления между персоналом с разными ролями Модель диалога определяет также и выходные значения запросов, это К! - логическая переменная формирующая статус диалога 0=0 при запуске диалога и Kl= 1 при получении результата и закрытии диалога,

г - переменная принимающая значение результата диалога, например, варианта ответа персонала на запрос

Ниже приводится пример формирования диалога системы с оператором при выполнении команды управления задвижкой с ручным приводом

В момент изменения положения задвижки, команда из технологического сценария или модели процесса поступает в модель агрегата, где по его жизненному циклу вычисляется необходимая инструкция на исполнительный механизм В том случае, когда задвижка имеет автоматизированный привод, подключенный к системе автоматического управления, эта инструкция сопоставлена соответствующим сигналам управления приводом - команда на изменение положения выполняется автоматически Если же агрегат не оснащен автоматизированным исполнительным механизмом, то инструкция по управлению агрегатом будет сопоставлена с соответствующим диалогом с персоналом. Оператор получает уведомление о необходимом воздействии на задвижку, выполняет задание системы с помощью обслуживающего технического персонала, и затем подтверждает исполнение команды и новое положение агрегата В этом диалоге оператор исполняет роль исполнительного органа для неавтоматизированных агрегатов и индикатора их состояния

18

Инструкция вызова диалога в жизненном цикле модели агрегата а, будет выглядеть следующим образом

d\ = <Sh3,600, р'„ К1„ г, >, Sh3 = < Fs, «а,, у3», «Выполнено, Отложить, Отменить», «Отложить» >, здесь d\ - диалог №1 у г-го агрегата соответствующий инструкции открытия задвижки Для организации диалога будет применена схема SÄ? Схема задает форму интерфейса - шаблон Fs, которая определяет формат отображения диалога, набор параметризованных строк в сообщении и способ ввода ответов, а наполнение полей диалога задают передаваемые в форму параметры Q и Ans

В этом диалоге Q, = < а„ у3>, здесь а, - имя агрегата, у,3 - обозначение состояния агрегата в соответствии с его моделью,

Перечень вариантов результата диалога Ans = < Выполнено, Отложить, Отменить> Модель диалога указывает ожидать ответ персонала 600 секунд, по истечении которых будет автоматически принят ответ г = ans0 = «Отложить» Параметр р1 задает права пользователя системы на действия в этом диалоге Формат параметра р определяется используемой системой безопасности на АРМ персонала

Шаблон диалога и результат показаны на рисунке 5

1 Fi Выполните ручное управление агрегатом |

Установите агрегат в положение d2

Подтвердите исполнение

ans, 1 ans2 | 3051 |

Результат

Выполните ручное управление агрегатом

Установите агрегат Задвижка 53н в положение Открыта

Подтвердите исполнение

Отложить

Отменить

Рис 5 Диалог управления задвижкой

В главе 3 описываются расширенные событийные модели технологической сети, продуктопровода, агрегата, технологисеского процесса с новыми расширенными свойствами и функциями приминительно к взаимодействию с моделью технологического сценария и диалога автоматизированной системы с человеком, описывается общая схема функционирования системы управления построенная на базе событийных моделей

В работе Амбарцумяна А А и Казанского Д Л предложена схема логического управления структурой объекта на основе событийного моделирования, открывающая новые возможности в повышении уровня автоматизации управления технологическими процессами Однако апробация

19

событийного моделирования на реальных задачах показала трудности с формированием таблиц моделей большой размерности и заданием последовательности включения моделей отдельных процессов в работу и их взаимодействия

В настоящей работе, в развитие теории событийного моделирования, излагается подход к структурированию поведения ТОУ в виде иерархии подобно устроенных процессов и задания последовательности процессов в виде активных технологических сценариев (ТС) При этом каждый ТС описывает последовательность управляющих и организационных процедур по достижению цели управления, которые определены в регламентной документации Таким образом, ТС выступает еще и как средство формального представления регламентов комплексного управления производством, то есть являются их моделью Создаваемая новая схема управления с использованием модели ТС в качестве ведущего звена требует расширения свойств событийных моделей процессов и агрегатов

Парадигма расширения событийного моделирования основана на том, что в автоматизированном производстве технологические цели достигаются на основе строгого выполнения предписаний (регламентов) и путем выстраивания структуры производства в определенной совокупности технологических процессов, мониторинга их выполнения и оперативной коррекции всяких отклонений от цели Основными задачами событийного моделирования, является представление структуры производства, всех работ и операций по преобразованию материалов в виде моделей процессов и программ достижения технологических целей в виде активных сценариев, и интерпретации их выполнения сменой состояния структуры и генерации соответствующего потока событий

В настоящей работе формируются новая модель ТОУ состоящая из совокупности расширенных событийных моделей и новых моделей технологического сценария и диалогов

• Модель технологической сети Ш — описывает производственную структуру через совокупность множества моделей агрегатов А (арматура, насосы, емкости и т. д) и множества моделей материалопроводов - Л (пассивные элементы - трубы, провода и т д),

• Расширенная модель агрегата А описывает технологические механизмы, предназначенные для выполнения производственных операций над материалами В этой работе она получила новые свойства множество входов материальных потоков агрегата, множество выходов, множество кодов операций производимых агрегатом над потоками материалов,

формы диалогов, функция характеризующая изменение свойств материала, аргументами которой являются параметры входных потоков материалов и состояние агрегата Благодаря этим новым свойствам при формировании потоков в АСУ ТП появится возможность отслеживать ход операций по производственным картам и контролировать соблюдение технологии

• Модель материалопровода R - минимальная транспортная единица материала между агрегатами расширена набором свойств учитываемых при расчете параметров перемещения материалов

• Расширенная модель технологического процесса (участка технологической сети) TP - предназначена для представления в АСУ ТП состояний реальных процессов и имитации их выполнения сменой состояний жизненного цикла модели, как функции команд и событий, поступающих в систему Модель характеризуется структурой, основными параметрами потоков с заданной структурой, множеством технологически востребованных состояний (режимов), условиями и правилами запуска режимов и поддержания, жизненным циклом В расширенную модель процесса добавлены носвые свойства, такие как код функционального назначения ТП, перечень еходных и выходных потоков материалов и их требуемые свойства, последовательность операций над материалами, набор секвенций контроля режима

• Модель активного технологического сценария TS — это алгоритм, реализующий план достижения конкретной технологической цели в виде совокупности этапов и условий их выполнения Технологический сценарий организует взаимодействие моделей процессов между собой по заданным правилам совместного использования ресурсов

• Модель диалога D обеспечивает формат взаимодействия событийных моделей с человеком, а также права и средства управления в соответствии с ролью человека

Состояние автоматизированного производства в моменты времени t это совокупность состояния технологической сети и множества активных технологических сценариев

SAM,=<STN,, ATS,> Функционирование событийной модели ТОУ ем заключается в преобразованиях множеств совокупного состояния агрегатов, активных процессов, пассивных процессов, активизированных сценариев, пассивных сценариев соответственно

stn, *е,-+ stni+i, sap, хе,-* sap,+i, spp, х —> spp^i,

£,' = 0,V/ TPJ Е SAP, =>

ats, x e,—>ats,+i, pts, у- е, — pts»,, e, x stn, x sap, x spp, x AST, x pts, -> £,+j

Эти преобразования выполняются циклически, на основе потока событий Е0, Ei, Е2 , по нескольким правилам, таким как. вычисление состояния агрегата, режима процесса, позиции сценария, коррекции множеств активных и пассивных процессов и сценариев и др Для примера здесь приводиться только одно правило коррекции множества активных процессов SAP, В исполнительной части для SAP, построчно для каждого TP, выполняется

> вычисление переходов в жизненном цикле LCPj,

> включение TPj в SAPt или SPPt (в зависимости от состояния),

> вычисление и аккумуляция в ЕЧ новых событий по процессам.

STPM(TP,) = 5,(STP,(TP,), £,), ((STPM(TP,) = s„) => (TP, H> SPP,)}, ' {(STP„,(TPj) * Sja) => (TP, H> 5Л/;j}.

El = E',vl,(STP,(TP,),E,)

(выражение { В} читать если А то В, иначе следующая строка)

Исполнение правил и организацию взаимодействия между описанными моделями осуществляет специальный программный блок, в котором по потоку событий восстанавливается актуальное состояние всех моделей и выполняется диалог через интерфейс с персоналом

Схема управления ТОУ, основанная на интерпретации технологического сценария, реализуется последовательным исполнением заранее сформированных процедур управления моделями ТОУ. В общем виде схема управления выглядит так

1 Оператор выбирает и запускает технологический сценарий, соответствующий цели управления

2 Реализацию цели, заданной сценарием, выполняет процедура SE(TSj), которая последовательно интерпретирует позиции графа TSj, исполняет инструкции и команды, записанные в позициях на модели агрегатов, модели процессов или оператору Команды на агрегаты выполняют непосредственное управление механизмами и арматурой ТОУ, команды в модели ТП задают структуру и режимы процессов, а инструкции оператору обеспечивают проведение организационных мероприятий по управлению и обслуживанию ТОУ

3 Формирование требуемой структуры некоторой части ТОУ выполняется процедурой PE(TPJ, которая интерпретирует модели ТП соответствующие этой части ТОУ и выдает команды в модели агрегатов При активизации модели процесса ТР} выполняется настройка положений агрегатов и задание

условий контроля параметров процесса Процедура MortfTPJ добавляет в общий лист мониторинга условия соблюдения установленного режима процесса

4. Настройка положения агрегата заданного в модели процесса или в позиции сценария выполняется процедурой АЕ(а¡) Смена положения и генерация команд управления в систему автоматики производится в соответствии с событийной моделью агрегата

5 После исполнения всех позиций сценария, он приобретает статус завершенного, цель управления считается достигнутой при установке всех процессов в требуемые режимы и соответствии параметров требуемым значениям

6 После настройки режимов технологических процессов и структуры материальных потоков в ТОУ весь объект управления рассматривается как совокупность множества активных технологических процессов - SAP, множества пассивных - SPP, и множества контролируемых параметров -LM Множество событий Е поступающих из ТОУ (или моделей ТОУ) анализируется Затем вычисляется требуемые изменения в структуре сети и необходимые для этого воздействия Производится коррекция режимов ТП, множества SAP„ SPP,, LM Процесс контроля состояния ТОУ и решения по коррекции режимов и структуры определяется условиями мониторинга во множестве LM, а также структурой активного сценария

7 При необходимости выполнить определенную задачу управления ТОУ оператор выбирает новый сценарий и запускает его

Исполнение сценария. Реализация целей управления осуществляется путем исполнения соответствующего сценария Сценарий последовательно, шаг за шагом, формирует необходимую структуру технологической сети, настраивает оборудование и процессы на требуемые режимы, инициирует и контролирует организационные мероприятия Исполнение сценария происходит следующим образом

Оператор с помощью HMI выбирает в системе целевой сценарий и запускает его В системе автоматизации работает процедура исполнения активного сценария SEfTSJ, которая интерпретирует модель сценария TSj и отрабатывает инструкции в его позициях Оператор контролирует ход исполнения, подтверждает квитируемые операции, производит выбор альтернативных вариантов управления, обеспечивает выполнение ручных действий Сценарий выполняет автоматическое управление моделями процессов (TPJ, агрегатами а, и другими дополнительными сценариями Для этого в сценарии предусмотрены четыре типа инструкций в зависимости от адресата

а) инструкции оператору. квитирование сообщений, подтверждение/отмена операций управления, выбор варианта управляющего воздействия, обеспечение ручного воздействия на исполнительные механизмы и визуального контроля Инструкции для оператора выдаются в форме диалога Для формирования окна диалога служит процедура SD(dJ

б) инструкции автоматической настройки режима ТП,

в) команды управления состоянием агрегатов,

г) инструкции совместного исполнения нескольких сценариев запуск сценария, приостановка, завершение, синхронизация и пр

В общем виде цепочка взаимодействия компонентов системы выгладит как на рисунке 6 Оператор реализует цели управления, исполняя различные сценарии Те, в свою очередь, для комплексного управления арматурой объекта оперируют событийными моделями процессов, определяя необходимые режимы процессов на участках технологической сети Событийные модели содержат информацию о конфигурации сети и правила ее настройки, они передают в модель агрегата требуемые состояния арматуры (у"), получают ответ об исполнении и вычисляют условие функционирования процесса Щ

Формирование режима технологического процесса выполняется в несколько шагов, см рис 7

Шаг 1 Вызов модели технологического процесса в позиции сценария и указание номера режима (конфигурации), которая востребована в этот момент -- PE(TP/S))

Шаг 2 Опрос моделей востребованных агрегатов о текущем состоянии и статусе оборудования Вычисление реализуемости заданной конфигурации

процесса - ф} =

ы

Шаг 3- Настройка агрегатов - выдача в модели агрегатов имен требуемых состояний у, =ms/a) —> АЕ(а)

Шаг 4 Опрос моделей агрегатов, проверка установления требуемого

т

состояния оборудования Ч* =

1-1

Шаг 5 Информирование сценария о реализации режима PE(TP/S))= Ч^

- Оператор

- Технологический сценарий

- Модель

технологического процесса

Модель агрегата

\

Исполнительные датчики механизмы

Рис. 6 Цепь взаимодействия компонентов системы

N ' ч

тз , тэ ,

Ыя рем ф = Цу, ^ М5 ч, = Г(у1) ^

СЁ] '"'ч СЕ] - ' Н < ЕЕ! ^ НЕ]

©©© ©©© ©©©

1) 2) 3) 4) 5)

Рис 7 Формирование режима процесса

Настройка агрегата в требуемое состояние выполняется в два этапа На первом этапе, по запросу от модели процесса ТР1 модель агрегата выдает имя состояния у?'1 и статус (см рис 8) актуальные в текущий момент Модель процесса сравнивает эти значения с кортежем настроек оборудования шц соответствующего режима, и формирует вектор управления агрегатами Вектор управления представляет собой последовательность имен требуемых состояний для тех агрегатов, текущие состояния которых отличаются от требуемых

Запрос состояния

И

I

Команда изменить состояние

И

| у."

9 I 0 / \ *' / \и*

Датчики положения Исполнительные

механизмы

Рис 8 Установка агрегата в требуемое состояние

На втором этапе, по полученной от модели процесса ТР] инструкции на смену состояния у?, модель агрегата производит выдачу на исполнительные механизмы команд щ соответствующих электрическим сигналам управления арматурой Агрегат переходит в новое состояние, что регистрируется через значения информационных сигналов от датчиков положения X/, х. Модель агрегата а, информирует модель процесса об установки нового состояния^

Комплексное использование всех событийных моделей агрегатов, технологических процессов и технологической сети, и дополненных моделями диалогов и активных технологических сценариев предоставляет новые возможности системе автоматизации Описанное решение позволяет переложить ряд функций управления с человека на автоматизированную систему (см рис. 9)

^Г 5 Планирование процесса^

3 УправлениеТП J

4 Организация технологии 3

Индикация \ ^

_ / \ Программно-логическое управление

Сигнализация I |

Регулирование ' Защиты и блокировки Дистанционное управление

Рис 9 Дополнительные средства автоматизации функций человека

В главе 4 описывается методика применения событийных моделей для построения системы управления рассматривается пример выделения участков технологической сети для моделирования технологических процессов, порядок разработки модели процесса, порядок разработки модели технологического сценария; предлагается методика иерархического подхода к моделированию сложных процессов В завершении главы приводится пример практического применения результатов исследований и разработок выполненных в ходе диссертационной работы

Замечено, что сложные поточные производства, наряду с основными фрагментами технологической сети, соответствующими основным технологическим переделам (установкам), содержат и простые, часто повторяющиеся структуры, выполняющие вспомогательные технологические (коммутационные) задачи Предлагается моделировать основные переделы и вспомогательные процессы в виде иерархических событийных моделей В этом подходе событийного структурирования технологического объекта на первом уровне предполагается выделение базовых процессов, и затем, на всех последующих уровнях - комплексных Базовые процессы - это локальные, небольшие фрагаенты ТП, выделяемые по территориальному или функциональному принципу Базовые процессы обычно объединяют те агрегаты, которые используются вместе в каком-либо процессе и выполняют одну общую задачу на фрагменте технологической сети Например, в нефтедобывающем производстве базовым процессом можно рассматривать узел регулирования, который часто применяется в обвязке различных установок Структурно и функционально он везде одинаков, как для регулирования давления газа, так и для регулирования расхода жидкости В составе блока насосов, схема подключения каждого насоса одинаковая для

всех, поэтому один насос с обвязкой может быть представлен в виде базового процесса. Базовые процессы, как правило, имеют устоявшуюся, принятую конфигурацию в части набора и соединения агрегатов. Поэтому для таких процессов целесообразно строить универсальную или наиболее общую модель, которую впоследствии использовать как шаблон. При выделении базовых процессов технологический объект содержательно разбивается на несколько функциональных фрагментов (процессов), так чтобы эти фрагменты ассоциировались с выполнением каких-либо законченных функций (см. рис. 10.). Затем разрабатывается событийная модель процесса, в которой задается поведение агрегатов (элементов сети) и все актуальные режимы процесса.

..... . .•: Вазовый • процесс • Базовый. процесс ——а и-' -т &М0ВЫЙ • процесс

Рис. 10. Определение базовых процессов.

Для снижения сложности модели ТОУ и упрощения описания больших систем может быть использовано иерархическое моделирование процессов, при котором поведение группы нескольких базовых процессов описывается в отдельной событийной модели. Это уже следующий уровень моделирования, на котором моделируются комплексные процессы (см. рис. 11). Поточные производства характеризуются построением технологической сети по функциональным переделам на основе технологических установок, вокруг которых конфигурируются потоки, и выполняются основные производственные операции по обработке материалов. При этом все функционирование ТОУ, как правило, определяется в виде совокупности работы этих установок в различных режимах, а сами режимы определяются состоянием их входных и выходных цепей. Событийная модель таких установок называется комплексным процессом, и в определении его структуры и поведения используются, базовые процессы, образующие его входные, выходные и обходные цепи.

Модель комплексного процесса имеет структуру, подобную модели базового процесса, и те же самые правила управления. Комплексные процессы удобно формировать вокруг некой законченной физической установки, объединяя все подводящие, отводящие, обслуживающие и вспомогательные процессы (которые могут быть описаны как базовые), либо вокруг

27

технологического участка, отождествляемого с какой-либо производственной функцией. Установка или участок характеризуются заранее заданным и ограниченным количеством режимов работы, а режимы работы задаются комбинациями состояний или конфигураций процессов, в нашем случае базовых процессов. То есть, режим работы установки - это совокупность процессов, протекающих в определенных конфигурациях. Использовать эту схему иерархии можно не только для объединения базовых процессов, но и для объединения комплексных, тем самым, добавляя еще один уровень иерархии моделей.

Комплексный ппопесс

Комплексный процесс

БП

БП

ч ......Ъ. ..... V

Базовый Базовый Базовый

процесс процесс процесс

Рис. 11. Определение комплексных процессов.

Последним уровнем моделирования поведения ТОУ является технологический сценарий (см. рис. 12). ТС определяется в виде специального графа переходов, вершинам которого сопоставляются режимы работы установок, а ребрам - условия их следования. В целом ТС показывает взаимосвязь между потоком событий от ТОУ и формированием команд по изменению его структуры. При создании технологического сценария в него вводятся автоматические действия - не требующие вмешательства оператора, простые информативные сообщения о ходе технологического процесса, выдаваемые оператору, и указания оператору на совершение действий по визуальному контролю и ручному управлению, или подтверждению исполнения определенного этапа. В технологическом сценарии также должен быть предусмотрен контроль за противоречивыми или опасными действиями оператора, введена система подтверждений ручных действий и предложений-подсказок по возможным решениям в конкретных случаях.

Разработка сценария начинается с определения целей управления объектом. В начале, должна быть определена конечная цель, характеризующая структуру технологической сети или ее участка, режимы работы и параметры процессов, затем, промежуточные подцели, которые необходимо достичь на пути получения результата, то есть частные временные режимы процессов.

Рис. 12. Управление процессами с помощью технологического сценария.

Предложенная методика последовательного структурирования ТОУ позволяет эффективно задавать его событийные модели, используя для этого единые правила, распространяющиеся на процессы всех уровней. Механизмы управления моделями переносятся на каждый новый уровень без изменений, в то время как модели процессов меняются содержательно, с учетом особенностей этого уровня. То есть, используя такие универсальные правила, можно декомпозировать технологический объект любой сложности.

Для конструирования иерархической событийной модели ТОУ предлагается следующая последовательность шагов:

1. Декомпозировать ТОУ на крупные установки или переделы, с точки зрения дистанционного управления и наблюдения как единицы производства.

2. Рассмотреть все возможные режимы работы такого передела как совокупность техпроцессов обеспечивающих этот режим в определенных состояниях. Эта установка будет моделироваться как комплексный процесс.

3. Выделить группы агрегатов, выполняющие общую технологическую функцию на участке сети передела и позволяющие рассматривать их как отдельный локальный базовый процесс.

4. Рассмотреть все технологически востребованные варианты конфигурации структуры сети базового процесса по состоянию агрегатов участвующих в этом процессе. Описать эти конфигурации в модели базового процесса.

5. Составить модели описывающие режимы работы установки как набор ее процессов в соответствующих конфигурациях (комплексные процессы).

6. Определить процессы и те их конфигурации, в которых они не совместимы (не могут быть активны в одно и то же время вместе). Внести эти условия в таблицы условий реализуемости процесса.

7 Составить технологический сценарий работы ТОУ, используя для этого регламенты запуска, регламент полного останова ТОУ, останова отдельных установок на ремонт и другие регламенты На показанном в работе примере технологического сценария видно, что для формирования алгоритма управления объектом достаточно оперировать только крупными единицами производства, такими как установки и процессы Благодаря заранее сформированным моделям процессов и однажды заданным правилам их интерпретации все процессы способны без вмешательства оператора и под управлением сценария, активизироваться, конфигурироваться, изменять режим и останавливаться При управлении неэлектрифицированным оборудованием, либо в тех случаях, когда необходим контроль человека, средствами диалога оператору выдаются инструкции или варианты действий для исполнения Такой подход значительно упрощает управление сложным ТОУ и моделирование его поведения в системе автоматизации

В приложениях приводятся пример разработки набора моделей участка дожимной насосной станции подготовки нефти и описание порядка создания моделей

Заключение.

В диссертации поставлена и решена важная техническая проблема -повышение уровня автоматизации управления технологическими процессами с целью снижения рисков ошибок человека при управлении ТП Для этого развиты известные и разработаны новые событийные модели инструментов управления ТП, разработана новая схема управления, уровень автоматизации управления в которой повышен за счет включения в схему управления регламентов и ограничений участия оператора в управлении Основные теоретические и практические результаты-

В диссертации поставлена и решена важная техническая задача -повышение надежности управления технологическими процессами вследствие снижения рисков ошибок персонала при управлении Это достигнуто путем внесения в АСУ ТП правил координированного управления процессами по параметрам и структуре сети, которые прописываются регламентами, а также за счет ограничений действий персонала предлагаемыми вариантами управления Для этого развиты известные и разработаны новые событийные модели инструментов управления ТП, разработана новая схема управления 1 Цель работы достигнута благодаря следующим теоретическим и практическим результатам Предложена концепция организации управления на основе активных технологических сценариев, которые призваны формально представить в АСУ ТП, ранее остающиеся за рамками

30

систем автоматизации, нормы ведения технологических процессов прописанные в нормативной документации (в инструкциях, регламентах) и исполняемые исключительно человеком

2 Разработана формальная модель технологического сценария Сформированы и описаны методы создания сценариев Активные технологические сценарии в сочетании с событийными моделями технологических процессов и оборудования предоставляют новые возможности автоматизации управления оперативное управление ТП, автоматизированный контроль и направление деятельности персонала, координация служб и технических работ на объекте, разграничение уровней управления с помощью персонализации интерфейсов Сценарии предусматривают разделение ролей управляющих процессом лиц по уровню принятия решений, руководство выбором варианта управления, координацию действий различных исполнителей и контроль исполнения заданий

3 Известные событийные модели агрегатов, материалопроводов и технологических процессов расширены новыми свойствами, которые позволили ввести в АСУ ТП контроль соблюдения технологии производства при реконфигурации технологической сети и изменении режимов процессов

4 Разработана схема функционирования совокупности событийных моделей и управления технологическими процессами Благодаря новым свойствам событийных моделей удалось построить схему автоматического управления распределенными технологическими процессами с контролем свойств материалов и структуры их потоков Новая схема управления основана на интерпретации фаз технологического сценария и исполнении предусмотренных в фазе команд управления Событийные модели элементов технологической сети позволяют реализовать принцип управления с обратной связью по отклонению текущего состояния структуры сети от требуемого Изменение режимов работы установок и конфигурации технологической сети происходит при анализе текущего состояния структуры сети по ее логической модели При этом активные технологические сценарии используются как программы достижения технологических целей производства Показано, что такое решение позволяет переложить ряд функций управления с человека на автоматизированную систему, а именно контроль состояния оборудования, реакция на события, многошаговое управление, обеспечение и соблюдение режимов, координация работ и контроль соблюдения технологии

5 Разработана модель диалога автоматизированной системы с персоналом Рассмотрено участие человека в системе управления технологическим процессом Выделены роли человека и функции Диалоги создаются по уровням принятия решений и позволяют адресовать запросы по полномочиям Такое распределение функций управления между персоналом позволяет повысить эффективность управления за счет ограничения человека в контуре управления в рамках только тех действий, которые от него ожидаются в конкретной ситуации 6. Предложена методика применения событийных моделей и построения

системы автоматизации на их основе. 7 Практическое применение предложенных моделей и методики событийного моделирования в проектах АСУ ТП объектов подготовки нефти ОАО «Самотлорнефтегаз» показало реальные возможности повышения уровня автоматизации и качества управления С помощью методики удалось формализовать в активных сценариях и внести в АСУ ТП до 75% предписаний регламентов, влияющих на оперативное управление технологическими процессами До 68% типовых ситуаций, при которых требовалось участие персонала, удалось передать под управление автоматизированной системе Это дало снижение нагрузки на оперативный персонал, и тем самым, повысило качество и надежность управления

Личный вклад автора в совместные работы.

В работах [1,4] автором предложено расширение свойств известных событийных моделей для иерархического моделирования технологических процессов В [2,3,4] описано исследование и разработка способов представления параметров технологических процессов, заданных регламентами в активных сценариях В работах [5,8] описана разработанная автором модель технологических сценариев В [6,9] предложена концепция применения модели активного сценария для построения системы диспетчерского управления.

Публикации по теме диссертации

Основные результаты диссертационной работы, были опубликованы в

ряде изданий и представлены на конференциях

1 Амбарцумян А А, Браништов С А Методика иерархического структурирования событийных моделей технологических процессов// Информационные технологии в проектировании и производстве, № 2,2003

2 Амбарцумян А А, Браништов С А Применение активных сценариев для управления технологическими процессами / Тр IV междунар. конф "Математическое моделирование в образовании, науке и производстве" / Приднестровский гос унив - Тирасполь, 2005 (28)

3 А А Амбарцумян, С А Браништов Модели профильного включения персонала в управление сложными технологическими процессами // Человеческий фактор в управлении Сборник статей по ред Абрамовой H А., Новикова ДА - M • КомКнига, 2006 -С 110-134

4 А А Амбарцумян, С А Браништов Событийные модели управления технологическими процессами ориентированные на защиту от ошибочных действий персонала -М ООО «Гринвич», 2006 - 168 с.

5 Браништов С А Моделирование регламентов управления процессами с помощью активных сценариев // Тр 3 междунар конф «Проблемы управления»/Ин-тпробл упр -М,2006 - С 109

6 Браништов С А, Хадеев А С Разработка функциональности системы

под держки принятия решений для диспетчерского управления транспортом газа на основе событийного моделирования // Тр 3 междунар конф «Проблемы управления» / Ин-т пробл упр. - M, 2006 - С 730 - 738

7. Браништов С А Повышение надежности АСУ ТП через формализацию технологических регламентов // Надежность, - 2008, - №2.

8 Амбарцумян А А, Браништов С А Формальная модель технологического регламента в АСУ ТП // Проблемы управления, - 2008, -№2

9 Чернов С А , Браништов С А Представление схемы управления производством как задач интерпретации событийных моделей оборудования и технологических процессов //Тр Всеросс молодеж науч конф по пробл упр (МКПУ-2008) / Ин-т пробл упр - M , 2008

Подписано в печать 05 06 2008 г Печать трафаретная

Заказ № 506 Тираж 100 экз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш, 36 (495) 975-78-56, (499) 788-78-56 www autoreferat ru

Введение.

Глава 1. Анализ схемы управления процессами и технологией в традиционных АСУ ТП

1.1. Особенности управления технологическими процессами в поточных производствах.

1.2. Человек в схеме управления технологическим процессом.

1.2.1. Контуры управления в АСУ ТП.

1.2.2. Роли человека в традиционных АСУ ТП.

1.3. Традиционные подходы к управлению потоковыми производствами.

1.4. Управление на основе событийных моделей.

1.5. Технологические регламенты.

1.5.1. Понятие регламента.

1.5.2. Порядок разработки, согласования и утверждения технологических регламентов производственных процессов.

1.5.3. Важность технологического регламента.

1.5.4. Место регламента в управлении технологическим процессом.

1.6. Выводы по главе. Постановка задач диссертации.

Глава 2. Формализация нормативных требований по веденшо процессов.

2.1. Модель активного сценария.

2.2. Модель диалога автоматизированной системы с человеком.

Глава 3. Расширение аппарата событийных моделей производства.

3.1. Общие замечания. Основной подход, событийного моделирования.

3.2. Модель технологической сети.

3.3. Модель материалопровода.

3.4. Модель агрегата.

3.5. Модель технологического процесса.

3.6. Функционирование событийных моделей.

3.7. Выводы по главе.

Глава 4. Методика моделирования технологических процессов.

4.1. Декомпозиция объекта управления.

4.2. Разработка моделей процессов.

4.2.1. Описание актуальных режимов процесса.

4.2.2. Формирование требуемой конфигурации технологической сети.

4.2.3. Определение условий запуска режимов.

4.2.4. Определение условий функционирования режимов.

4.2.5. Разработка моделей всех процессов технологического объекта.

4.3. Разработка сценария реализации цели управления.

4.3.1. Определение и постановка целей управления.

4.3.2. Наполнение графа операций инструкциями настройки процессов.

4.3.3. Задание условий выполнения команд и инструкций.

4.3.4. -Формирование параллельных, одновременно управляющих операций.

4.3.5. Задание диалога оператору на запрос решения.

4.4. Методика иерархического моделирования структуры ТП.

4.5. Практическое применение результатов исследований и разработок.

Актуальность исследования.

Для повышения производительности труда при управлении в промышленности, а также для повышения надежности и точности управления уже несколько десятков лет применяются автоматизированные системы управления (АСУ). Выделяют несколько уровней управления производством, начиная с управления технологическими процессами (ТП) и до стратегического управления и организации производственной деятельности. Те АСУ, которые работают на уровне технологических процессов, управляют непосредственно исполнительными механизмами: технологическими аппаратами, машинами и приводами; такие системы называют автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).

Первые АСУ ТП строились на базе контрольно-измерительных приборов и средствах автоматики (КИПиА), логика работы которых формировалась релейной или триггерной схемой [1,2]. Основными задачами первых АСУ ТП были: обеспечение автономной работы локальных установок по заранее «прошитому» алгоритму, простейшая индикация измерений датчиков и протоколирование важных величин на бумажных носителях. Обработка измерений и вычисления выполнялись в минимально необходимом объеме опять же в неизменяемых аналоговых схемах.

Развитие элементной базы АСУ ТП произошло благодаря прогрессу электронной техники. С появлением программируемых логических контроллеров (ПЛК) и электронно-вычислительных машин стало возможным расширить гибкость управления, повысить вычислительные мощности системы и протоколировать гораздо больше параметров ТП чем прежде. На системы этого времени возлагались уже дополнительные функции: помощь персоналу в координации множества технологических процессов и операций, ведение архивов и подготовка отчетных документов.

Последующее развитие на этом уровне выразилось в компьютеризации АСУ ТП с помощью персональных вычислительных машин и компьютерных сетей, распределенных ПЛК и интеллектуальных датчиков. Произошло развитие человеко-машинного интерфейса, к нему предъявляются новые требования по эргономике, скорости обновления информации, интеллектуализации. Свершилась своего рода интеграция между средствами сбора данных, их обработки и хранения, средствами визуализации и средствами логического управления технологическим процессом. Результатом этой интеграции и являются современные автоматизированные системы управления технологическими процессами [3,4].

В последнее десятилетие основой новацией при внедрении автоматизации на этом уровне, являются SCADA-системы (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) [5]. Программные продукты SCAD А применяются, как правило, для создания интерфейса оператора, сбора данных о производственном процессе, их архивировании, и для подготовки отчетных документов. SCADA теперь все больше заменяет контрольно-измерительные приборы, а программируемые контроллеры - жесткую автоматику. Использование SCADA-системы увеличило долю фирменного программирования в составе программного обеспечения АСУ ТП, значительно повысило надежность проектных решений и доверие к ним заказчика и эксплуатационного персонала. Однако роль человека при управлении ТП с использованием SCADA-систем осталась прежней, как и в системах на основе КИПиА. С точки зрения потенциала технических средств и базового программного обеспечения (SCADA + современные фирменные базы знаний) имеются реальные возможности для повышения степени автоматизации технологических процессов со снижением участия человека в управлении процессами. Однако, анализ многих действующих АСУ ТП (например, АСУ ТП площадочных объектов [6. 7, 8]) показывает, что на сегодняшний день функциональные возможности АСУ ТП используются на прежнем уровне - по большей части SCADA фактически просто отображают состояние процесса. Сегодня, как правило, автоматически осуществляется только контроль параметров и локальное управление отдельными установками производства. Вместе с тем, координация процессов и операций, взаимодействие со смежными системами и службами, управление процессом в целом и принятие решений в экстремальных ситуациях возлагается по-прежнему на человека [10].

Как показывает анализ аварий и нештатных ситуаций в сложных системах, до 70-ых годов прошлого века доля аварий по причине техники составляла 80%, а по причине человека — 20%. В последнее время, в силу повышения надежности и усложнения функциональности технических средств, ситуация поменялась на обратную: теперь доля ошибок человека значительно превышает технические сбои. Это является следствием перемещения слабого звена в схеме управления с техники на человека, поскольку технический прогресс опережает эволюцию биологических способностей человека, то есть надежность принятия решений и профессионализм человека со временем меняется слабо. При сохранении в схеме управления доли человеческого участия, мы получим обратно пропорциональную этой доли надежность системы управления, ведь, по-прежнему остается влияющим «человеческий фактор» [10].

Рис. 1 иллюстрирует традиционную схему управления в современных АСУ ТП, в которых человек — наивысшее звено, осуществляющее управление технологией путем координации выполнения набора стандартных функций системы управления.

Индикация , / Л \ Программно-логическое управление

Сигнализация I I 1

Регулирование I Защиты и блокировки

Дистанционное управление

Рис. 1. Человек в управлении технологическим процессом

В рамках автоматизированной системы управления персонал как инициирует выполнение этих функций, так и имеет доступ к результатам их исполнения, на основе чего он и планирует свои действия по управлению технологическим процессом. В традиционной схеме он находится над всеми задачами, являясь инициирующим и контролирующим звеном цепочки управления. Здесь средств независимого контроля действий персонала не имеется; отсюда - неуправляемая возможность ошибок человека. На рисунке цифрами показаны задачи по управлению технологическим процессом и их распределение по уровням принятия решения. Оперативные задачи управления, контроль процессов, реагирование на события решаются оперативным персоналом, а организация технологии и планирование процесса -технологами производства.

В настоящей работе ставится задача снизить уровень ошибок персонала при управлении технологическим процессом. Направление достижения поставленной цели основывается на допущении, что при высокой степени автоматизации, большая часть управляющих воздействий выполняется через систему автоматизации, поэтому есть возможность контролировать действия человека при управлении процессом средствами АСУ ТП. Таким образом, чтобы снизить ошибки человека необходимо внести в АСУ ТП информацию о ролях, полномочиях и обязанностях персонала, тогда в режиме диалога система сможет подсказывать и направлять действия человека в соответствии с ситуацией на объекте управления. Предлагается решение этой задачи путем переложения части функций человека на автоматизированную систему, а также наделения системы функциями контроля действий и полномочий персонала.

Задача контроля действий и полномочий персонала решается путем дифференциации ролей человека в управлении, и путем введения механизмов управления ТП, при которых ограничивается роль персонала в рамках потребностей технологического процесса в конкретный момент времени. То есть, решение от персонала востребуется только тогда, когда это необходимо по технологии, и в соответствии с ролью и задачами человека в цепочке управления технологическим процессом в этот момент. Разрабатываются модели и процедуры передачи функций контроля процесса, реакции на события и управления ТП в систему автоматизации. Рассматриваемый подход развивает схему на основе событийного моделирования, предложенную в [9], путем введения модели активных сценариев, которые учитывают разделение ролей персонала и ограничение воздействия на объект управления.

Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы снизить риски ошибок человека при управлении технологическим процессом для чего исследуются существующие и разрабатываются новые методы автоматизации технологических процессов (ТП), разрабатывается новая схема управления, уровень автоматизации управления в которой повышен за счет включения в схему управления регламентов и ограничения участия оператора в управлении.

Для достижения этой цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния автоматизированных систем управления технологическими процессами промышленных предприятий поточного типа с целью оценки уровня автоматизации и роли человека в контуре управления.

2. Исследовать традиционные методы построения АСУ ТП поточных производств, выделить их недостатки.

3. Предложить методы моделирования технологических объектов и построения схемы управления, позволяющие разрабатывать системы автоматизации на более высоком уровне, с более плотным покрытием функций управления объектом.

4. Разработать набор моделей для описания поведения технологического объекта управления (ТОУ) и схему управления на их основе в составе:

- для описания структуры ТОУ — модель технологической сети,

- для моделирования простейшей единицы управления, элемента ТОУ и узла технологической сети - модель агрегата,

- модель продуктопровода - для представления средства транспортирования материалов и элементов сети, связующих агрегаты, модель описания структуры, режимов и жизненного цикла простейших (базовых) технологических процессов на участке сети, для упрощения моделирования сложных технологических объектов разработать модель сложносоставных (комплексных) процессов, описывающих взаимодействие нескольких базовых процессов, модель технологического сценария (регламента) — для представления обобщенного алгоритма управления ТОУ на основе координированного управления процессами согласно требованиям технологического регламента, модель диалога автоматизированной системы с оператором, обеспечивающую человеко-машинный интерфейс с активными сценариями управления.

5. Разработать методику применения моделей для построения системы автоматизации, и определить основные подходы к проектированию системы с использованием новой схемы управления.

Объект исследования - АСУ ТП производственных предприятий с технологическими процессами непрерывного поточного типа: нефтегазодобывающих, водоочистных, водообеспечивающих, электроэнергетических, хранилищ и переработки сыпучих материалов и т.п.

Предмет исследований - управление технологическими процессами, организация и методы управления, уровень автоматизации различных контуров управления, роли человека в управлении процессом.

Методы исследования базируются на приемах системотехники, теории конечных автоматов, теории графов, прикладном программировании, стандартах проектирования АСУ ТП, опыте проектирования, внедрения и обслуживания автоматизированных систем управления.

В ходе проведения исследований использовались труды отечественных и зарубежных ученых в области автоматизированных систем управления. В качестве источников были использованы материалы научных трудов, периодики, конференций и семинаров.

Научная новизна работы заключается в разработке средства формального представления технологического регламента в схеме управления, в частях оперативного управления ТП и реакции на критические события. С помощью предлагаемого средства появляется возможность повысить уровень автоматизации управления ТП, на тех этапах управления, где принимаются решения персонала, базирующиеся на нормативной документации. Кроме того, новизна работы в предлагаемом комплексе моделей и схеме управления ориентированных на автоматизированное управление параметрами и структурой технологических процессов поточного типа.

На защиту выносятся следующие результаты:

Методы моделирования технологических объектов и построения схемы управления,

- Расширенные событийные модели технологического оборудования и производственных участков: агрегатов, продуктопроводов, локальных (базовых) технологических процессов, сложносоставных (комплексных) ТП;

- Разработанные модели: технологических сценариев, диалогов автоматизированной системы с оператором;

Основные результаты исследования, имеющие практическое значение:

- методика применения этих моделей для построения АСУ ТП.

Практическая ценность работы заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение разработанной методики проектирования АСУ ТП на различных производствах поточного типа и создают методологическую базу для модернизации действующих систем. Результаты диссертационной работы доведены до конкретных моделей и методов.

Апробация и внедрение результатов исследования. Проведенные в диссертации исследования непосредственно связаны с планами научно-исследовательских работ ИПУ РАН выполняемых по федеральным и региональным программам, соответствуют теме: «Разработка моделей, методов логического управления и механизмов взаимодействия специалистов различного профиля в производственных процессах, включая технологию и техническое обеспечение с целью поддержания безопасности и эффективности потенциально-опасных производств поточного типа».

Основные результаты работы были доложены и одобрены на:

- IV международной конференции "Математическое моделирование в образовании, науке и производстве". (Молдова, Тирасполь, Приднестровский государственный университет, 2005);

- II и III международной научно-технической конференции по проблемам управления (Москва, ИПУ РАН, 2003, 2006);

- 9th IFAC Symposium on Automated Systems Based on Human Skill And Knowledge (Nansy, France, 2006);

- Всероссийская молодежная научная конференция по проблемам управления (Москва, ИПУ РАН, 2008);

- семинарах ИПУ РАН;

Основные положения диссертации были использованы в проектах АСУ ТП объектов подготовки нефти: Центрального товарного парка (ДТП), Комплексного сборного пункта №3 (КСП), КСП-5, КСП-9 СНГДУ-1 ОАО «Самотлорнефтегаз» и Дожимной насосной станции №33 (ДНС) СНГДУ-2 ОАО «Самотлорнефтегаз», реализованных компанией Информационные бизнес системы (Москва). Для каждого из проектируемых объектов были разработаны и включены в раздел математического обеспечения проекта: событийные модели агрегатов и технологических процессов, реализующих алгоритмы управления технологическим оборудованием, а также новая схема управления производственным участком на основе технологического сценария. С помощью разработанной автором методики был реализован прототип программного обеспечения контроллера и интерфейс оператора.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертационной работы 115 страниц машинописного текста, включает 24 таблицы и 49 рисунков.

3.7. Выводы по главе.

Активные технологические сценарии в сочетании с событийными моделями технологических процессов и оборудования предоставляют новые возможности автоматизации управления технологическими процессами: управление процедурой ведения ТП, автоматизированный контроль и управление деятельностью персонала, координация служб и технических работ на объекте, разграничение уровней управления с помощью персонализации интерфейсов.

Автоматизированное управление ТОУ с помощью технологического сценария заключается в интерпретации шагов сценария, и в соответствии с инструкциями в его позициях происходит подача команд на изменение структуры ТОУ и режимов работы ТП или управление неавтоматизированной работой персонала на объекте.

Для построения системы автоматизированного управления структурой и режимами ТОУ за основу взята совокупность событийных моделей (СМ) агрегатов, технологических процессов и технологической сети, разработанных в [1] и дополненных в этой работе моделями диалогов и активных технологических сценариев.

Такое решение позволяет переложить ряд функций управления с человека на автоматизированную систему - сравните рисунок 29 с рисунком 1.

Технолог

5. Планирование процесса С

Опеоатоо Т11

Индикация

1 I \ программно-логическое управление

Сигнализация II'

Регулирование |3а"<иты " блокировки Дистанционное управление

Рис. 29. Дополнительные средства автоматизации функций человека.

Благодаря свойствам событийных моделей удалось построить схему управления процессами, основанную на интерпретации фаз технологического сценария, исполнения предусмотренных в фазе команд запуска и гашения технологических процессов. Схема управления основана на анализе текущего состояния структуры технологической сети по ее логической модели, и для управления структурой процессов использует принцип управления с обратной связью по отклонению текущего состояния структуры от требуемого. При этом активные технологические сценарии используются как программы достижения технологических целей производства. Сценарии предусматривают разделение ролей управляющих процессом лиц по уровню принятия решений, руководство выбором варианта управления, координацию различных исполнителей и контроль исполнения заданий. Подход к контролю и ограничению действий персонала при управлении технологическими процессами на основе модели активных сценариев рассматривается в [3].

Глава 4. Методика моделирования технологических процессов

Методика моделирования технологического объекта проводится на примере дожимной насосной станции (ДНС). Этот объект первичной подготовки нефти применяется для сбора со скважин и предварительной сепарации добываемой жидкости.

Технология обработки сырой нефти на объектах подготовки нефти заключается в разделении эмульсии на отдельные фракции: попутный газ, нефть, воду и механические примеси [2]. Конструктивно объекты подготовки строятся на основе технологических установок селективного отбора фракций, организуя несколько ступеней сепарации. На первой ступени выполняется отбор газа, на второй основная сепарация воды и механических примесей, а на третей окончательное обезвоживание и разгазирование нефти. Для первичного разгазирования нефти применяются нефтегазосепараторы (на рис. 30 обозначены как НГС). Для отделения воды используются горизонтальные отстойники (ОГ). На последней ступени сепарации применяются буферные емкости или концевые сепарационные установки (БЕ). Подготовленная товарная нефть помещается в накопительные резервуары (РВС), где происходит динамический отстой и дополнительное выделение остатков воды и газа. Откачка товарной нефти в центральный товарный парк нефтепромысла выполняется блочными насосами внешней откачки (БНВО) из резервуара товарной нефти, либо напрямую с буферной емкости третей ступени сепарации. На выходе объекта подготовки нефти устанавливается узел учёта расхода и качества нефти.

Отделенная вода и механические примеси накапливаются в резервуарах очистных сооружений и отстаиваются. Здесь происходит осаждение из воды тяжелых фракций и небольшого количества растворенной нефти. По достижению определенного уровня нефть собирается с поверхности воды насосами уловленной нефти (НУН), а вода откачивается на региональные очистные сооружения блоком насосов перекачки воды (БНПВ). Сбор и очистка отделенного попутного газа выполняется в газосепараторах ГС, после чего он используется для внутренних нужд или отводится на газоперекачивающий завод. Газ низкого давления с последних ступеней сепарации утилизируется на факелах Ф.

БГл>1 g8-i

Нёфть е маяиемральный нефтепровод

Водэ на оч/слtHtte сооружения

Рис. 30. Технологическая схема ДНС. 4.1. Декомпозиция объекта управления.

Для моделирования производственного объекта используются метод декомпозиции сложного объекта и применение иерархических событийных моделей для его компонентов [1]. Моделирование начнем с декомпозиции технологической сети на участки соответствующие технологическим переделам (этапам) общего производственного процесса.

Поскольку декомпозиция ТОУ на отдельные моделируемые участки носит субъективный характер, строго не регламентируется, и производится с целью удобства представления всей структуры ТОУ и его поведения, то возможны различные варианты сочленения моделей фрагментов ТОУ. Так, модели участков могут быть связаны либо пассивными элементами, такими как трубопроводы, или же активными агрегатами, когда интерфейсный агрегат принадлежит сразу нескольким фрагментам. Это, несомненно, должно отражаться в свойствах моделей этих фрагментов.

Можно использовать два способа выделения моделей процессов в ТОУ. Первый получается так, что процессы не имеют общих агрегатов, и агрегаты, принадлежащие этим процессам, управляются исключительно ими. Тогда процессы стыкуются через элементы передачи потока (трубы, коллекторы, емкости и т.д). Положительные стороны этого способа в том, что нет конфликта при управлении общим агрегатом, когда в одно и тоже время разным процессам требуется его взаимоисключающее состояние. А отрицательные в том, что ограничиваются возможности в управлении, так как агрегат закрепляется за одним процессом. Вследствие чего, в модели этого процесса приходится задавать излишние конфигурации, которые обеспечили бы взаимодействие с другими процессами. Тем самым усложняются модели. Во втором способе процессы стыкуются через интерфейсные агрегаты, которые являются общими для них. При таком способе выделения процессов общие агрегаты могут управляться каждым процессом. Что в свою очередь дает более гибкое управление всем ТОУ. Это плюс. И в этом случае, одновременное использование агрегатов несколькими процессами происходит по заранее оговоренным четким правилам: когда, и в каких ситуациях агрегат может поменять свое состояние, если уже используется в другом процессе и т.д. А здесь, однако, имеется минус в том, что появляется много спорных условий, иногда даже противоречивых, которые следует рассматривать для каждого вида производства индивидуально, а значит вырабатывать всякий раз новые правила.

Выделим группы агрегатов обеспечивающих процессы сепарации на первой, второй и третей ступенях.

Первая ступень сепарации строится на установках отделения газа от нефтяной эмульсии НГС и агрегатах обвязки, это: входные задвижки по потоку эмульсии и выходные задвижки по потокам воды газа и нефти. На рис. 31. показан участок технологической сети, который выделен для построения модели 1 ступени сепарации.

Рис. 31. Участок технологической схемы 1 ступени сепарации.

Затем для выделенного участка технологической сети разрабатывается модель технологического процесса. Остальные участки будут выделены и показаны ниже.

После того как вся технологическая сеть разделена на отдельные моделируемые участки соответствующих отдельным функциональным процессам, проводиться разработка моделей для этих процессов. На выделенном фрагменте сети, на рис. 30, в технологическом на вторую ступень

4.2. Разработка моделей процессов. процессе участвуют следующие агрегаты: сепаратор НГС-2, входная задвижка 6н, выпускная задвижка дренажной системы 69н, клапан-регулятор по выходу нефти КлН-2, и три его байпасные задвижки 11н, 12н, 13н, а также задвижка по выходу газа 4г.

4.2.1. Описание актуальных режимов процесса.

Далее для модели следует определить все возможные и востребованные по технологии функциональные режимы процесса. Эти режимы будут четко определяться заданной конфигурацией технологической сети, которая формируется из требуемых состояний агрегатов. Для моделируемого процесса в технологии задействованы следующие режимы:

• Режим заполнения сепаратора — востребован при включении сепаратора в работу из остановленного состояния; является промежуточным перед основным рабочим состоянием. В этом режиме задвижки обвязки сепаратора устанавливаются в такое положение, при котором происходит заполнение емкости сепаратора эмульсией и контролируется процесс повышения уровня и давления;

• Регулирование — основной рабочий режим сепаратора, его назначение поддержание оптимальных условий процесса отделения газа. Такими условиями являются определенный уровень эмульсии и давление газа в емкости. Для выполнения этих условий применяется клапан-регулятор по выходу нефти.

• Режим слива применяется для вывода сепаратора из общего технологического процесса при необходимости ремонта или чистки.

• Останов - режим, при котором сепаратор не используется в основном технологическом процессе, но как единица оборудования может быть занят в процессе ремонта.

Затем необходимо описать принцип функционирования процесса в каждом режиме, показав в каких состояниях должны быть агрегаты и тем самым задать конфигурацию участка технологической сети.

4.2.2. Формирование требуемой конфигурации технологической сети.

Состояния агрегатов для всех востребованных режимов заносят в таблицу МБ (см. табл. 7). Модели процесса дано обозначение ПНГС-2.

Заключение

В диссертации поставлена и решена важная техническая задача - повышение надежности управления технологическими процессами вследствие снижения рисков ошибок персонала при управлении. Это достигнуто путем внесения в АСУ ТП правил координированного управления процессами по параметрам и структуре сети, которые прописываются регламентами, а также за счет ограничений действий персонала предлагаемыми вариантами управления. Для этого развиты известные и разработаны новые событийные модели инструментов управления ТП, разработана новая схема управления.

Цель работы достигнута благодаря следующим теоретическим и практическим результатам:

1. Предложена концепция организации управления на основе активных технологических сценариев, которые призваны формально представить в АСУ ТП, ранее остающиеся за рамками систем автоматизации, нормы ведения технологических процессов прописанные в нормативной документации (в инструкциях, регламентах) и исполняемые исключительно человеком.

2. Разработана формальная модель технологического сценария. Сформированы и описаны методы создания сценариев. Активные технологические сценарии в сочетании с событийными моделями технологических процессов и оборудования предоставляют новые возможности автоматизации управления: оперативное управление ТП, автоматизированный контроль и направление деятельности персонала, координация служб и технических работ на объекте, разграничение уровней управления с помощью персонализации интерфейсов. Сценарии предусматривают разделение ролей управляющих процессом лиц по уровню принятия решений, руководство выбором варианта управления, координацию действий различных исполнителей и контроль исполнения заданий.

3. Известные событийные модели агрегатов, материалопроводов и технологических процессов расширены новыми свойствами, которые позволили ввести в АСУ ТП контроль соблюдения технологии производства при реконфигурации технологической сети и изменении режимов процессов.

4. Разработана схема функционирования совокупности событийных моделей и управления технологическими процессами. Благодаря новым свойствам событийных моделей удалось построить схему автоматического управления распределенными технологическими процессами с контролем свойств материалов и структуры их потоков. Новая схема управления основана на интерпретации фаз технологического сценария и исполнении предусмотренных в фазе команд управления. Событийные модели элементов технологической сети позволяют реализовать принцип управления с обратной связью по отклонению текущего состояния структуры сети от требуемого. Изменение режимов работы установок и конфигурации технологической сети происходит при анализе текущего состояния структуры сети по ее логической модели. При этом активные технологические сценарии используются как программы достижения технологических целей производства. Показано, что такое решение позволяет переложить ряд функций управления с человека на автоматизированную систему, а именно: контроль состояния оборудования, реакция на события, многошаговое управление, обеспечение и соблюдение режимов, координация работ и контроль соблюдения технологии.

5. Разработана модель диалога автоматизированной системы с персоналом. Рассмотрено участие человека в системе управления технологическим процессом. Выделены роли человека и функции. Диалоги создаются по уровням принятия решений и позволяют адресовать запросы по полномочиям. Такое распределение функций управления между персоналом позволяет повысить эффективность управления за счет ограничения человека в контуре управления в рамках только тех действий, которые от него ожидаются в конкретной ситуации.

6. Предложена методика применения событийных моделей и построения системы автоматизации на их основе.

1. Труды сессии АН СССР по научным проблемам автоматизации производства. М.: АН СССР, 1957.

2. Энциклопедия современной техники. Автоматизация производства и промышленная электроника. М.: «Советская энциклопедия», 1962.

3. Прангишвши КВ., Амбарцумян A.A. Научные основы построения АСУ ТП сложными энергетическими системами. М.: Наука, 1992.

4. Прангишвили КВ., Амбарцумян A.A. Основы построения АСУ сложными технологическими процессами. М.: Энергоатомиздат, 1994.5. www.asutp.ru,asutp.interface.ru

5. Прангишвили КВ., Амбарцумян A.A. и др. Анализ состояния и предложения по повышению уровня автоматизации энергетических объектов. // Проблемы управления, №2, 2003.

6. Отчет об обследовании АСУ ТП объектов добычи и подготовки нефти нефтегазодобывающих предприятий ОАО «Тюменская нефтяная компания» Нижневартовского региона. ИПУ РАН для ООО «Информационные бизнес системы».2002 г.

7. Амбарцумян A.A., Казанский Д.Л. Управление технологическими процессами на основе событийной модели. ЧI и II, // АиТ № 10,11; 2001.

8. Вабиков В.М., Панасенко K.M. Роль человеческого фактора в обеспечении безопасности АЭС // Атомная техника за рубежом. 1989, №12,с.З-10.1. Глава 1

9. Амбарцумян A.A., Браништов С.А. Событийные модели управления технологическими процессами ориентированные на защиту от ошибочных действий персонала. — М.: ООО «Гринвич», 2006. 168 с.

10. Прангишвили КВ., Амбарцумян A.A. Основы построения АСУ сложнымитехнологическими процессами. М.: Энергоатомиздат, 1994.

11. Амбарцумян А.А. Толстых А.В. Воронин Б.И. Ключевые положения создания системы предупреждения на объектах уничтожения химического оружия. М.: Надежность, №4, 2005

12. Волик Б.Г. Проблемы анализа техногенной безопасности. // Автоматика и Телемеханика, 2002, № 12

13. Волик Б.Г. Техногенная безопасность автоматизированных комплексов. / 2-я Международная конференция по проблемам управления, М, 2003

14. Ицкович Э. Л., Гребешок Е. А. Разработка автоматизированной системы экологической защиты региона от промышленных выбросов. // Приборы и системы управления, № 4,1996.

15. Абрамова Н.А. Рефлексивный подход и проблема взаимопонимания.// Человеческий фактор в управлении: Сборник статей по ред. Абрамовой Н.А., Новикова Д.А. М.: КомКнига, 2006.

16. Edgar Chacon, Isabel Besembel and J-C. He met. Coordination and optimization in oil and gas production complexes. // Computer in Industry, №53, 2004, pages 17-37

17. Edgar Chacon, Isabel Besembel and other. An integration architecture for the automation of a continuous production complex. // ISA Transactions, №41, 2002, 1-0

18. M. Nourelfath, E. Niel. Modular supervisory control of an experimental automated manufacturing system. // Control Engineering Practice, Volume 12, Issue 2,2004, pages 205216

19. W.M. Wonham. Supervisory control of discrete-event systems. // Electrical and Computer Engineering University of Toronto, 2006

20. Tae-Sic Yoo, Stephane Lafortune. A general architecture for decentralized supervisory control of discrete-event systems. // Discrete-event dynamic systems: theory and applications, 2002.

21. Stewart Robinson. Simulation: The Practice of Model Development and Use. // Wiley, Chichester, UK. 2004

22. Stewart Robinson. Soft with a Hard Centre: Discrete-Event Simulation in Facilitation. // Journal of the Operational Research Society, 52 (№ 8), 2001, pages 905-915.

23. C.G. Cassandras, D.L. Pepyne and Y. Wardi. Optimal control of class of hybrid systems. // IEEE Trans, on Automatic Control, vol. AC-46, no.3, pp. 398-415, 2001.

24. Амбарцумян А.А., Казанский Д.Л. Управление технологическими процессами на основесобытийной модели. ЧI и II. // АиТ № 10,11; 2001.

25. Алиев Р. А., Либерзон М. И. Методы и алгоритмы координации в промышленных системах управления. — М.: Радио и связь, 1987. — 208 с

26. Бабкин Е.А. Событийные модели дискретных систем. Курск, гос. ун-т. Курск, 2005. -Деп. в ВИНИТИ 14.01.05. № 30-В2005. - 18 с.

27. ОСТ 42-505-96. Продукция медицинской промышленности. Технологические регламенты производства. Содержание, порядок разработки, согласования и утверждения. Стандарт отрасли. Утверждены Минздравом РФ 25 февраля 1998 г.

28. РД 06-627-03. Методические рекомендации о порядке разработки, согласования и утверждения регламентов технологических производственных процессов при ведении горных работ подземным способом. Введены в действие с Госгортехнадзором 1 января 2004 г.

29. Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности. Постановление № 56 Госгортехнадзора России от 05.06.2003. Введены с 30.06.2003 года.

30. Положение о технологических регламентах производства продукции на предприятиях химического комплекса. Утвержден: Министерство экономики РФ, 06.05.2000.

31. РД 09-251-98 Положение о порядке разработки и содержания раздела "Безопасная эксплуатация производств" технологического регламента. Утверждён: 18.12.1998 Госгортехнадзором России, Постановление 77.

32. Технологический регламент на эксплуатацию ДКС-7. ООО "Ямбурггаздобыча". 2000г.

33. Технологический регламент комплексного сборного пункта нефти №11 Самотлорского месторождения. ООО «Гипротюменнефтегаз». 2002г.

34. Положение о технологических регламентах производства продукции на предприятиях химического комплекса. Утвержден: Министерство экономики РФ, 06.05.2000. -Приложение 6: «Технологический регламент установки подготовки нефти».

35. Отчет об обследовании АСУ ТП объектов добычи и подготовки нефти нефтегазодобывающих предприятий ОАО «Тюменская нефтяная компания» Нижневартовского региона. ИПУ РАН для ООО «Информационные бизнес системы».2002 г. Глава 3

36. Амбарцумян A.A., Казанский Д.Л. Управление технологическими процессами на основе событийной модели. ЧI и II. // АиТ № 10,11; 2001.

37. Амбарг{умян A.A., Потехин А.И. Разработка механизмов управления объектами с поточной технологией на основе событийных моделей каналов. // АиТ № 4; 2003.

38. Амбарцумян A.A., Браништов С.А. Методика иерархического структурирования событийных моделей технологических процессов // Информационные технологии в проектировании и производстве, № 2; 2003.

39. Скобло А.И., Молоканов Ю.А. и др. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. 3-е изд., М.: «Недра-Бизнесцентр», 2000, 677 с.У