Методология управления
технологическими процессами в рамках SCADA систем на основе
событийного моделирования
А.А. Амбарцумян,
зав.
лаб.№3, д.т.н., проф.,
С.А. Искра,
с.н.с., к.т.н.
ИПУ РАН, г. Москва
Выполнение технологических процессов (ТП), характерных
для непрерывного производства (энергетика, нефтепереработка и т. п.) и
непрерывно – дискретного производства
(металлургия, производство новых материалов и т.п.) обеспечивается, с одной стороны, поддержанием
требуемых параметров обрабатываемых материалов, с другой - формированием
структуры потоков этих материалов. Под производственными потоками будем понимать
направленные движения и переработку материальных или энергетических носителей
посредством технологического оборудования. В качестве типичных носителей может
выступать, например, нефть в нефтедобывающих и перерабатывающих отраслях или
электроэнергия в энергетике.
Как
правило, управление потоковыми
технологиями использует развитую систему автоматики (авторегуляторы, защиты,
блокировки, логические автоматы и т.п.), интегрированную в - автоматизированную
систему управления технологическими процессами АСУ ТП. [1].
Эффективность
АСУ ТП определяется степенью (уровнем) автоматизации решаемых с ее помощью
основных задач, что в свою очередь предполагает использование специальных
инструментальных средств – SCADA
систем (Supervisory Control And Date Acquisition)
[3, 4].
Задачи
управления параметрами потоков решаются на основе принципа управления с
обратной связью по отклонению с использованием континуальных моделей динамики
потока. Эти модели известны, хорошо изучены и описаны в многих монографиях и
учебниках [02], они лежат в
основе конструкции оборудования, на их основе разрабатываются и настраиваются
многочисленные регуляторы, защиты,
блокировки и измерительные каналы,
входящие в АСУ ТП.
Задачи
управления структурой потоков - это целенаправленное изменение состава и состояний задействованного в данном ТП
технологического оборудования (исполнительных механизмов) и связей между ними.
Тем самым осуществляется перевод объекта в качественно новое состояние (новый
режим работы). Эти задачи предназначены для
обеспечения различных режимов работы объекта в реальных условиях износа
оборудования, ввода в действие резервированных структур, ремонта и профилактики.
Управление
структурой потока является по сути логическим и в принципе должно решаться
задачами функционально-группового управления (ФГУ) на основе конечно-автоматных
моделей; т.е. по существу - это управление по заранее определенному плану,
заданному в виде конечного автомата. Такие задачи слабо формализованы и в системе управления лишь частично
представляются событиями, параметрами и
командами.
Системы
автоматных уравнений ФГУ для потоков будут аналогичны по структуре, но для
каждого будут собственные реберные
функции и взвешивание вершины выходами будет иным. При этом, сколько вариантов
потоков - столько и программ. Точное определение алгоритма формирования конфигурации
требует даже для сравнительно простых реальных задач (потоки, включающие
порядка десятка коммутационных элементов) перебора такого количества вариантов,
что на практике прибегают к различного рода упрощениям, стандартным реализациям
и т.п., что фактически снижает доверие к этим алгоритмам, а учитывая еще
реальные отклонения объекта от проектных решений, недоверие и вовсе приводит к
отказу от ФГУ в пользу дистанционного управления (ДУ). Этот факт также
подтверждается отсутствием соответствующих средств поддержки ФГУ в SCADA системах.
Как
показывает анализ [1], уровень и объем автоматизации существующих и разрабатываемых
АСУ ТП для предприятий с поточной
технологией базируется на технологических алгоритмах, представляемых заказчиком
и включающих в основном защиты, блокировки и контура локального автоматического
регулирования. Основные этапы выполнения задач закрепляются в регламенте, должностных
инструкциях и неформальных действиях персонала с использованием ДУ каждым ИМ
индивидуально при их исполнении. При этом формирование структуры ТП возлагается
на оперативный персонал и средства ДУ
отдельными ИМ. При таком подходе эффективность управления процессами в целом
определяется квалификацией персонала, а информация о процессе (структуре,
задействованных ресурсах, времени формирования, выполнения, результатах и т.п.)
не может быть доступной вышестоящим информационным системам, какие бы глубокие
и продвинутые средства не привлекались для интеграции этих систем. Фактически
оперативность и точность решения задач управления структурой потоков зависит от
субъективного фактора. Следствием этого являются нарушения регламента и
многочисленные потери в технологии. Тем самым в АСУ ТП закладывается чрезвычайно низкий уровень автоматизации
управления.
Рис.1 Обобщенная структура
АСУ ТП
Обобщенная
структура АСУ ТП, сконструированная на основе SCADA – системы,
представлена на рис.1. Связь с процессами ТОУ (технологического объекта управления)
выполняется системой автоматики (СА), реализуемой, например, в виде локальной
сети программируемых логических контроллеров (ПЛК). Здесь реализуются функции
(блоки) индивидуального управления: локальные регуляторы, защиты, блокировки.
Верхний уровень системы реализует: MMI -
человеко-машинный интерфейс ДУ исполнительными механизмами оборудования,
блоками СА; ведение оперативной базы
данных (ОБД) системы на основе SCADA.
Рассмотрим,
как оперативный персонал исполняет основные шаги традиционной схемы управления
средствами SCADA-системы. Оператор, анализируя
модель ТОУ, представленную в системе, как совокупность параметров и активных
мнемосхем, воссоздает в своем сознании (неформальной базе данных – НФБД) фактическое
состояние – конфигурацию материальных
потоков в текущий момент времени. В соответствии с целью производства он
формирует в НФБД параметры, либо структуру целевого потока в следующий момент
времени. По отличиям параметров и структуры
текущих потоков оператор выбирает совокупность управляющих процедур, обеспечивающих
преобразование текущей структуры потоков в требуемую. Далее выбранные процедуры
(задачи) реализуются средствами SCADA-системы в
последовательность команд ДУ, которые
исполняются в СА и фиксируются в ОБД.
При этом мнемосхемы интерфейса SCADA-системы
лишь иллюстрируют точки «съема» данных, их динамику и точки «приложения» команд.
Таким
образом, выполнение схемы управления предполагает работу оператора с двумя
базами данных: формальной – ОБД и неформальной,
отражаемой в знаниях персонала и должностных инструкциях (рис. 2).
Рис.2 Работа оператора с
разными БД в процессе управления ТП
НФБД
фактически является основной в деятельности оперативного персонала, более
информативна (содержит потоки, их
параметры, процессы), аккумулирует предыдущий опыт работы и в то же время,
поскольку находится вне АСУ ТП, эффективность управления по ней целиком определяется
квалификацией персонала (ее носителя).
В
настоящей работе ставится задача разработать
методологию событийного управления процессами, основанную 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 ТП по этой модели
имитируют действия оперативного персонала. Для решения этой задачи были
разработаны событийные модели компонент структуры потоков, процессов и их функционирования.
При
определении системы потокового управления (СПУ), как, реализующей конечно -
автоматный алгоритм физическое время отсутствует. Его заменяет поток событий от
объекта и внешней среды, который и определяет такты (дискретные моменты
времени). Содержательно каждый специалист, имеющий дело с ТП, представляет конкретный процесс в его пространственных
границах в виде совокупности оборудования, в котором он исполняется, временные
границы как последовательность событий над ТП (подготовка к запуску, запуск,
работа в заданном режиме с определенными параметрами, гашение) в реальном
времени [1].
В событийной модели ТП, исходя из сформулированных интуитивных
представлений о процессах, вводится
система понятий, позволяющая структурировать поведение ТОУ как
последовательность выполняемых работ с используемыми в этих работах ресурсами и
получаемыми результатами, привязкой к этим работам значений соответствующих
параметров продуктов, ресурсов и т.д.
Модель
агрегата (узла) предназначена для представления в АСУ ТП состояний арматуры
и различного рода движителей (насосов,
компрессоров и т.д.), преобразующих агрегатов, емкостей, скважин и т.п.; и
имитации их работы сменой состояний жизненного цикла агрегата, как функций команд
и событий поступающих на него.
Рис.3 Диаграмма жизненного
цикла задвижки
Жизненный
цикл агрегата можно представит в виде графа, вершинами которого являются
операции, выполняемые узлом над входным потоком и собственно состояния
(работает/свободен, исправен/неисправен) агрегата между операциями. На рис.3
представлен пример жизненного цикла агрегата типа «запорная арматура».
Между
вершинами операций («Открытие», «Закрытие») и вершинами состояний агрегата
(«Открыта», «Закрыта», «Неисправность») указаны сплошными стрелками команды,
подаваемые от оператора через СПУ на ТОУ. Пунктирными стрелками обозначены
события, подтверждающие реакции объекта (показания датчиков) на выполнение
команд. Черным кружком обозначено начальное состояние останова агрегата. Кроме
того, в модели функционирования агрегата в составе ТС используются два двоичных
признака (статуса):
Технологическая сеть (ТС) объекта отображает его
структуру, т.е. состав ИМ и технологические связи между ними. ТС предназначена
для моделирования структуры производства, целью которого является организация и
поддержание требуемых параметров
различного рода потоков (например, в
нефтедобыче это потоки эмульсии, нефти, газа, воды, в энергетике -
потоки топлива, теплоносителей, охлаждающей воды, электроэнергии и т.п.).
Модель ТС объекта управления представляет собой
неориентированный граф, вершины которого сопоставлены различного рода агрегатам
(емкости, насосы, сепараторы, печи, задвижки, клапаны, пассивные соединители и
разветвители - коллекторы и т.д.), а ребра моделируют продуктопроводы
(трубопроводы), являющиеся пассивными элементами,
соединяющими продуктовые входы и выходы
агрегатов. При работе каких-либо ТП в составе сети ребра,
соответствующие задействованным продуктопроводам будут получать ориентацию (по
направлению потока) и образовывать дуги.
Сложные
производственные системы с потоковой технологией для обеспечения эффективного управления,
обслуживания и других производственных задач структурируются на отдельные компоненты
(установки, переделы, участки, технологические системы и т.п.). Как правило,
разбиение осуществляется на основе специфики протекающих в них физических
процессов трансформации продукта (материалов), топологии размещения оборудования
и восприятия этой компоненты как единого целого при управлении и обслуживании.
Состояния
жизненного цикла ТП представляют фазы его выполнения: проверка реализуемости,
подготовка к выполнению (настройка узлов
- агрегатов на требуемые операции и запуск обеспечивающих процессов),
выполнение технологического процесса в
заданном режиме и разборка процесса при наступлении соответствующего события.
Правила
запуска и существования ТП удобно представлять в виде набора таблиц (матриц), в
которых для участвующих в ТП агрегатах (столбцы) проставлены разрешенные
(необходимые) состояния для соответствующих режимов ТП (строки) или булевские
условия реализуемости и готовности к работе данных агрегатов.
Состав
режимов работ для всех ТП одинаков. Это: запуск, проверка выполнимости, работа,
останов и реконфигурация ТП, т.е. изменение состояний входящих в них агрегатов. Соответственно и
модель жизненного цикла для типового ТП будет иметь одинаковую структуру
(рис.4).
Рис.4 Диаграмма жизненного
цикла модели типового ТП
Переходами
в ЖЦ управляют входные события. Основные
из них: событие запуска (это или условие автоматического запуска или команда
запуска); проверка потенциальной готовности ТП; событие активности, подтверждающее
факт настройки ТП на выполнение; событие отклонения от норм ведения процесса -
срабатывание «потоковых» блокировок; событие гашения (утилизации) процесса. Взаимосвязь данных из матриц и состояний
ТП показана на рис.4 пунктирными стрелками.
В
каждый конкретный момент времени все множество ТП подразделяется на активные
(работающие) и пассивные процессы.
Подмножество активных ТП формируется в зависимости от состояния
жизненного цикла конкретного процесса. Все процессы, находящиеся в данный
момент в состояниях, отличных от начального (останов) – относятся к активным.
Функционирование
системы определяется в дискретные моменты времени, которые, по сути, являются
номерами интервалов реального времени, причем таких, что внутри каждого
интервала подмножество активных процессов не изменяется. В каждый момент
времени в модель поступают данные о состояниях (положении) агрегатов и
параметры потоков; и имеет место множество событий, инициируемое реальными
агрегатами, компонентами системы
управления и оперативным персоналом. Таким образом, состояние ТС в момент
времени
На
каждом такте работы СПУ для всех агрегатов определяет: вычисление переходов в
их жизненном цикле, формирование нового кортежа состояний и формирование новых
событий для агрегатов.
В
соответствии с изменениями состояний агрегатов соответственно изменяются и состояния ТП, их включающих, т.е.
происходит коррекция множества активных процессов. Таким образом, функционирование
событийной модели структуры и процессов со стороны стороннего наблюдателя это
поток событий, последовательность отличающихся друг от друга множеств активных
процессов и последовательность множеств
состояний агрегатов сети.
Таким
образом, в докладе предлагается
методология управления производственным объектом на основе предложенных
событийных моделей оборудования, потоков и процессов и имитационной модели
оператора. Отличием предложенной схемы управления от традиционного программно-логического
управления является формирование команд управления на основе вычисления
отклонения текущего состояния ТС от состояния, требуемого процессом. Это
позволило вычисление отклонения,
формирование команд управления и
контроль их исполнения сформулировать в виде стандартных процедур, не зависимых
от конкретного приложения.
1. Амбарцумян А.А., Казанский
Д.Л., Управление технологическими процессами на основе событийных моделей, //
АиТ, №10-11, 2001.