книги из ГПНТБ / Герман, В. Т. Построение информационной системы управления технологическими процессами добычи и подготовки газа научно-экономический обзор
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ, ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА И ТЕХНИКО-ЭКОНОМ ИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ В ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ИШИМ
НАУЧНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Серия: Экономика, организация и управление в газовой промышленности
ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
ДОБЫЧИ И ПОДГОТОВКИ ГАЗА
В . Т . Г е р м а н , Ю . А . К у л и к о в , В .Г '.Т а г и е в
МОСКВА 1П74
УДК 622.691.24: [6 5 .0 II .56:681.5]
Рассмотрены вопросы построения иерархических инфор мационных систем управления технологическими процессами добычи и подготовки газа, что является основой при раз работке автоматизированных систем управления. При этом используется вероятностно-статистический анализ. Приво дятся алгоритмы, определяющие шаг дискретности и объемы промысловой информации, а также алгоритмы адаптации сбо ра и достоверности обработки информационных потоков.
Обзор иллюстрирован конкретными примерами и расче
тами.
©Всесоюзный научно-исследовательский институт экономики,
организации производства и техипко-экономической информации в газовой промышленности (ВНИИЭгазпром), 1974
ВВЕДЕНИЕ
При построении автоматизированной системы управления (АСУ)
газодобывающим предприятием может быть использован кибернетичес кий подход, при котором управление интерпретируется как процесс переработки информации в некоторой системе с целью оптимизации управления. Поэтому первоочередной задачей является оптимальный
синтез потоков информации в структуре управления предприятием и организация базы данных и системы их передачи. Информационные по
токи составляют параметры месторождения, технологических режимов, надежности элементов газопромыслового оборудования, сообщения о
выполнении плановых заданий по добыче газа |
и конденсата, а также |
||
ряд технико-экономических показателей. |
|
|
|
Информационное обеспечение - |
основная |
база создания АСУ газо |
|
добывающим предприятием jjL ,6,Io]. |
Исходя из |
характера |
производст |
ва последнего, основные требования к информационному |
обеспечению |
||
системы управления предусматривают: |
|
|
|
-полноту и достаточность информации - содержать сведения о состоянии технологических объектов;
-необходимость информации, т .е . данные о газодобывающем предприятии должны давать только необходимые знания о нем, а сок
ращение информации, содержащейся в сообщении, уменьшает |
знания |
об объекте, избыточность сообщения допускается только в |
особых |
случаях; |
|
- необходимую и достаточную точность информации, т .е . коли - |
|
чественные характеристики параметров, описывающих состояние газо-
добывающего предприятия, должны выражаться с точностью, |
уменьше - |
|||
ние |
которой недопустимо, а увеличение |
- неоправданно; |
|
|
|
- своевременность и регулярность |
информации, которая должна |
||
поступать через строго определенные интервалы времени. |
|
|||
|
Указанные требования к информационному обеспечению |
АСУ ГДП |
||
определяют содержание работ по созданию системы передачи |
данных. |
|||
|
В данной работе рассмотрены вопросы, |
связанные со |
структу - |
|
рой |
информационных потоков газодобывающего |
предприятия, |
приыене - |
|
нием методов сбора и обработки технологической информации, исполь зуемой в основном в оперативном управлении производством.
3
СТРУКТУРА ПОТОКОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
В последние годы начаты работы по созданию автоматизированных систем управления на Буктыльском, Медвежьем, Шатлыкском и Оренбург
ском газовых промыслах.
Учитывая возросшую мощность газодобывающих объектов и слож
ность технологических процессов добычи и подготовки газа на этих промыслах, а также повышение требований к надежности подачи газа яри проектировании АСУ, ЭВМ может быть использована как для одной
установки комплексной подготовки газа (УКПГ) |
(например, на Вуктыль- |
||
скон промысле), так и для группы УКПГ. |
|
|
|
С помощью ЭВМ и информационной |
техники |
появилась |
возможность |
централизовать контроль и управление |
технологическим |
процессом. |
|
Основные функции таких систем - сбор и обработка, а также |
контроль |
достоверности информации о нарушениях в ходе процесса, |
решение |
учетных задач для материальных потоков и расчет некоторых технико экономических показателей работы установки.
ЭВМ и системы передачи данных для обработки информации поз -
воляют применить вероятностно-статистические методы и расширить возможности оптимизации информационных потоков и идентификации мо делей технологических процессов.
Газодобывающее предприятие представляет собой совокупность объектов по добыче и подготовке природного газа, функционирование которых сопровождается потоками технологической информации, описы
вающей характер процесса, состояние оборудования.
Структура информационных потоков газодобывающего предприя -
тия сложна вследствие наличия ряда взаимосвязанных подсистем, со
ставляющих общую автоматизированную систему управления. Исследо -
вание структуры потоков технологической информации связано с не обходимостью решения задач оперативного характера, заключающихся в поддержании наивыгоднейвшх режимов работы всех объектов и обес печивающих своевременное выполнение планов по добыче и улучшению качества подготовки газа и конденсата, полное использование произ водственных резервов и предупреждение аварий путем принятия свое временных мер по устранению отклонений от заданных технологических параметров. Для решения этих задач требуется своевременное поступ ление информации сс всех основных объектов газодобывающего пред -
приятия.
Система оперативного управления предприятием имеет иерархиче скую структуру, обусловленную иерархией потоков информации, Такая
ч
структура сочетает в себе возможность распределения функций между различными уровнями с одновременным сохранением централизации уп равления. Иерархическая информационная система имеет преимущества
перед централизованной одноступенчатой, так как при отказе аппа - ратуры верхнего уровня управление не нарушается, а осуществляется органами управления нижнего уровня, хотя в этом случае к ухудшает ся быстродействие общей системы управления. Однако из-за надежнос тных характеристик технологического оборудования и необходимости иметь обслуживающий персонал непосредственно на УКПГ двухступенча тая структура оперативного управления получила практически всеоб щее распространение.
Центральный диспетчерский пункт (ЦДЛ) газодобывающего пред -
приятия (верхняя ступень иерархии) принимает все решения, связан
ные с управлением системой, и передает их исполнительным органам
местных диспетчерских пунктов (МДП) УКПГ (нижняя ступень иерархии),
которые управляют отдельными технологическими процессами.
|
|
|
Внешняя планово-экономи |
|
|
|
|
ческая и техническая информация |
|
Объекты до |
Объекты под- |
|
Ц Д П |
|
еотобки газа |
|
|||
бычи газа |
|
|
||
Технологическая |
|
|
Технологичес- |
ГДП |
информация |
МДП |
кая информаиш |
||
|
- Т м л г Г ^ - |
|
|
|
Улравляющие |
|
|
Плановые |
|
технологичес |
|
|
|
|
кие воздействия |
МДП |
задания |
|
|
|
|
|
||
Геологапромысловая |
информация |
|
||
Геологопромысловые |
мероприятия |
|
||
Рис.1. Принципиальная схема информационных и управляющих потоков газодобывающего предприятия
Принципиальная схема информационных и управляющих потоков ГДП,
включающая объекты добычи и подготовки газа, приведена на рис.1.
Для управления объектами добычи газа используется геологопромысло-
вая и технологическая информация.
5
При разбуривании эксплуатационных скважин информация о стро ении и параметрах месторождений будет дополняться и совершенство ваться. В целях точного отражения процессов, протекающих в место
рождении, необходимо провести весь комплекс геофизических и гидро
газодинамических, керновых исследований по всем разведочным и эксплуатационным скважинам, а также периодически уточнять фактиче ские данные о давлении, дебитах, депрессии, физических свойствах газа, температуре и т.п .
В процессе подготовки газа и конденсата, его транспортировки возникает технологическая информация, характеризующая режим рабо
ты установок, трубопроводов, состояние оборудования и т.п .
От соответствующих служб и объектов добычи газа в ЦДЛ посту пает геологопромысловая и технологическая информация, а в МДП - технологическая информация о состоянии объектов добычи и подготов ки газа. На основании этой информации в соответствии с критериями
управления выбираются технологические режимы работы. ЦДЛ и соот -
ветствующие службы ГДП анализируют поступающую геологопромысловую информацию о процессах добычи газа и технологическую информацию
о подготовке газа. На основании ее осуществляется анализ разрабо тки месторождений, идентификации моделей управления, разрабатыва ются технологические режимы и т .п ., вырабатываются управляющие воздействия для технологических объектов подготовки газа и геологопроыысловые мероприятия для объектов добычи газа, а также управ ляющие воздействия МДЛ. МДП осуществляют управление процессами в
рамках установленных режимов добычи и подготовки газа.
Движение информации в системе управления ГДП не непрерывно.
Информация поступает в органы (службы), вырабатывающие управляющие воздействия,дискретно, через некоторые промежутки времени, в за висимости от вида и назначения информации, а также от характера
технологических процессов. Частота управляющих воздействий опре - деляется периодичностью оперативного планирования и динамическими характеристиками отдельных технологических установок. Е ЦДЛ посту пают планы (задания) по добыче газа в виде функции времени На выходе из ГДП необходимо получить текущие значения технологиче
ских параметров добычи и подготовки |
газа, обеспечивавшие минимум |
||
интеграла, |
представляющий разность |
квадратов действительного |
и |
планового |
показателя по добыче газа |
|
|
о
6
Выполнение данной целевой функции - обязательное условие
эксплуатации ГДП. Однако это не противоречит возможности ГДП пе ревыполнять плановое задание.
Органы управления должны вырабатывать управляющие воздейст вия Lf'(-fc) с учетом текущих значений U ( t ) . Функционирование
ГДП можно описать некоторым оператором П, который преобразует уп
равляющие |
воздействия ( i ' ( f ) B |
выходные функции |
по |
определенным |
|||||
правилам, |
зависящим от характеристик |
и состояния |
технологических |
||||||
установок X, ( i ) , X2( t |
) |
. |
других факторов, |
зависимых |
от |
||||
U*(i) . Реальные условия |
налагают на |
Х ^(£) |
случайные возмущения |
||||||
Уl i t ) (выход из строя |
оборудования |
и д р ,) . |
|
|
|
||||
Обозначим оператор |
от |
входа U' ( i ) |
к выходу |
U ( t ) |
через |
||||
П0 • Параметры этого оператора зависят от характеристик техноло
гических установок |
Xi ( i ) , которые |
в свою очередь являются |
не |
||
которыми функциями |
от |
|
|
|
|
Следует отметить, что в реальной ситуации входами оператора |
|||||
являются функции Xi(-fc) |
с наложенными на них случайными возмуще |
||||
ниями характеристик |
технологических процессов, т .е . X ;( i ) + ^L(i) ■ |
||||
Выходная информация |
блока П0 |
поступает в блок Р |
, |
х’де |
|
осуществляется расчет управляющих воздействий и технологических
характеристик. |
Кроме |
того, |
в блок Р |
поступают |
задания |
по до - |
|||
быче газа. |
|
|
|
|
|
|
U ( f ) |
|
|
Выходами блока ? |
язляются управляющие воздействия |
и |
|||||||
технологические |
характеристики |
X ((f) |
. Оператор |
блока |
Р |
от |
вхо |
||
да U* ( t ) к выходу |
II ( t j |
обозначим |
через Р0 |
, а |
от |
входа |
|||
U (t) к выходу |
U ( t ) |
- через |
Р0 . |
|
|
|
|
|
|
Рис.2 . Структурная схема системы управле ния газодобывающим предприятием
7
Обозначим оператор от входа U * ( t ) |
к выходам X i ( t ) |
че |
|
рез Р" . |
Структурная схема системы управления ГДП представлена |
||
на рис.2 . |
Модель системы управления можно записать в виде |
системы |
|
уравнений: |
|
|
|
|
X ( t ) = P " u ( t ) • |
|
|
|
i i ' ( t ) = P^u*( t ) +P0 u ( t ) ; |
|
|
|
U ( t ) = n 0 U l ( t ) . |
|
|
Для реализации данной модели требуются сбор и обработка дан |
|||
ных о технологических процессах и состоянии оборудования, |
а также |
||
исследование количественных характеристик |
информационных потоков. |
||
ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ
Контроль и управление процессами добычи и подготовки газа неразрывно связаны с наличием множества (разнообразия) состояний
режимов производства. Поэтому источниками возникновения информа ции на промысловых объектах являются элементы этого множества,со общающие о том или ином состоянии объекта.
Для технологических объектов добычи и подготовки газа сооб щения обычно представляются величинами параметров, характеризую -
щих эти объекты.
|
Для составления моделей объектов |
управления и изучения факто |
|
ров, |
определяющих объемы информации - |
периодичность, точность |
и |
т .д ., |
следует использовать аппарат теории вероятностей и математи |
||
ческой статистики, базируясь на представлении о случайном харак -
тере технологических параметров исследуемых объектов.
Наиболее полной характеристикой случайного процесса является многомерная плотность вероятностей [ 2 ] . Зная эту характеристику, можно определить плотность вероятностей любого порядка, моменты любого порядка и т .д . Практически для большинства задач контроля параметров технологического процесса достаточно ограничиться одно мерной плотностью вероятностей.
При использовании в качестве статистической модели контроли
руемых параметров стационарного нормального случайного процесса
8
значительно упрощаются и сокращаются расчеты основных статистиче ских характеристик этих параметров, таких, как математическое ожи дание, дисперсия и корреляционная функция. Однако принимать апри ори нормальный закон распределения при обработке информации нель зя, следует проверять тот или иной параметр на нормальность. В
противном случае могут быть допущены серьезные ошибки и получены
неверные данные.
Промысловый материал, собранный в результате наблюдения ка кого-либо контролируемого или управляемого параметра, образует статистическую,или выборочную, совокупность (выборку).состоящую
из |
N |
единиц с конкретным значением количественного показателя |
|
Xj, |
. |
Каждое значение показателя в совокупности обозначается че |
|
рез |
|
Х ,,Х 2?...,Х П |
и называется вариантом. Для использования |
точных формул при определении доверительных интервалов статисти -
ческих характеристик |
процесса проверяют реализацию выборки |
на |
нормальность и случайность распределения. |
|
|
На первом этапе |
статистических исследований проводятся |
до |
казательства случайности данной частной выборки из общей генераль
ной совокупности. Этот этап необходим, так как если выборка не случайная, к ней не применимы соотношения и закономерности теории
вероятности. |
|
|
|
Рассмотрим способ проверки соответствия контролируемых |
или |
||
управляемых параметров стационарному нормальному случайному |
про |
||
цессу [ 2 ] . |
|
|
|
Для проверки на случайность используем метод восходящих |
и |
||
нисходящих серий. Чтобы получить |
серию, следует |
определить |
знаки |
разностей Х ,-Х ;+г(£= 1,2,...п-1) . |
Если несколько |
следующих друг за |
|
другом значений равны между собой, то необходимо оставить одно из них, а остальные отбросить. Положительные разности помечаются зна ком (+) - восходящая серия, отрицательные - знаком ( - ) - нисходя
щая серия. Общее число знаков в серии есть ее длина. Выборка слу
чайна, |
если длинные серии встречаются редко или общее число |
серий |
||||||
велико. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Общая длина последовательности в выборке |
определяется |
как |
||||||
|
|
|
п- max |
|
|
|
|
|
|
|
|
- H п |
Rn |
|
|
|
|
|
|
|
П-1 |
|
|
|
|
|
где |
п |
- длина серии; |
Rn |
- |
общее число |
серий |
длины. |
|
Обычно принимается, что |
■£ э? |
20 |
представляет |
собой |
случайную ве |
|||
личину, |
распределенную по нормальному закону с параметрами' |
|
||||||
9