Проектирование
интеллектуальной системы поддержки принятия
решений при управлении
установками первичной
переработки нефти
Нзамба Сенуво,
аспирант, senouvo@mail.ru,
РУДН, г. Москва,
В.О. Чинакал,
в.н.с., к.т.н., доц., chinakal@ipu.ru,
ИПУ РАН, г. Москва
Рассматриваются вопросы проектирования
интеллектуальной системы поддержки принятия решений (ИСППР) при решении задач
оперативного управления крупными установками первичной переработки нефти
(УППН). Эффективность управления такими типовыми процессами существенно зависит
от опыта и знаний специалистов по управлению, особенно в случаях нештатных или
аварийных ситуаций. Рассмотрена методика проектирования ИСППР при управлении
УППН и основные этапы реализации методики. Приводятся примеры реализации
проекта типовых прототипов БД и БЗ ИСППР с использованием инструментальной
системы G2.
This
article describes the issues of designing intelligent decision support system
(IDSS) when solving the problems of operating control of process of primary oil
refining (PPR). Effectiveness of control of these types of processes greatly
depends on the experience and knowledge of specialists, especially in cases of
emergency or accidents. The design methodology for IDSS at PPR, and basics
stages of the procedure are considered. The examples of the implementation of
the draft model prototype database and knowledge base IDSS using tool system G2
are presented.
Введение
При управлении типовыми процессами первичной
переработки нефти, в частности, при выборе различных режимов работы и изменении
состава перерабатываемого сырья в течение смены, приходится решать ряд сложных
проблем. Для полного анализа состава сырья в лаборатории требуется
продолжительное время, в течение которого состав сырья может существенно
измениться, либо изменяются требования к количественным и качественным
значениям технологических параметров выходных продуктов.
Для отработки этих возмущений используется
традиционная система управления, но для нее необходимо определить новые
значения параметров режима управления УППН: расходов потоков жидкой и паровой
фазы колонн, рабочих температур, давлений и пр. Учитывая динамику объекта, сложные
перекрестные связи различных каналов управления и наличие ограничений,
необходимо решать сложную задачу управления с использованием аналитических
методов, а также опыта и знаний квалифицированных технологов и операторов.
В связи с этим для эффективного оперативного
управления УППН помимо традиционной системы управления используют
интеллектуальную систему поддержки принятия решений (ИСППР) [1,2,3],
обеспечивающую не только интеллектуальный анализ данных, но и предоставление
рекомендаций оператору. Для проектирования ИСППР фирма Gensym предложила применить динамическую экспертную
систему (ЭС), реализованную на базе среды G2 [4,5] и позволяющую
обеспечить интеллектуальный анализ данных при мониторинге работы оборудования
на установке. Технологическая схема УППН представлена на рис.1. Установка
включает атмосферно-трубчатую часть (АТ) и атмосферно-вакуумную трубчатую часть
(АВТ) [6].
рис
1. Технологическая схема атмосферной части установки АВТ
Рассмотрим возможность проектирования и
использования ИСППР при управлении УППН с использованием средства
программирования G2 и схемы рис.1.
2. Выбор основных компонентов установки АВТ
в базе знаний ИСППР
Для создания прототипа БЗ проектируемой ИСППР при
управлении УППН, выделим и обозначим сырье, выходные продукты и полупродукты и
части оборудования, которые будут использоваться при создании базы данных
прототипа ИСППР. Выделим следующие классы:
· «Crude-oil»
- сырая нефть.
· «Tank»
- парк резервуаров, предназначенный для хранения сырьевой нефти перед ее
переработкой в колоннах установки.
· «Column»
- колонны переработки нефти, предназначенные для разделения сырьевой нефти на
фракции и для получения готовых нефтяных продуктов. Класс «Column»
имеет подкласс «Type-column».
· «Pump»
и «Valve» - насосы и клапаны, предназначенные для
обеспечения перекачки сырьевой нефти от резервуарного парка до колонн
разделения и обеспечивающие обмен полупродуктов и готовых нефтяных продуктов на
установках. Класс «Valve» имеет три подкласса: «Type-valve», «Check-valve», «Globe-valve».
· «Furnace»
- печи, предназначенные для обеспечения необходимого теплового режима колонн
блоков атмосферного, вакуумного, а также для вторичной перегонки.
· «Points»
- узлы разделения и смешения сырьевой нефти и полупродуктов на установках.
· «Condenser»
и «Heat-exchanger»- холодильники и теплообменники,
предназначенные для понижения и повышения температуры потоков сырья полупродуктов.
· «Capacity»
- емкости, предназначенные для промежуточного хранения сырья и полупродуктов.
· «Flux»
- потоки сырьевой нефти и полупродуктов на установках. Этот класс имеет
подкласс «Operations», который в свою очередь имеет
четыре подкласса: «Distribution», «Mixing», «Cooling», «Heating».
Для сырья, входных и выходных продуктов и элементов
оборудования установки необходимо обеспечить мониторинг соответствующих
технологических параметров. Эти параметры необходимы для работы системы
управления УППН, для ЛПР при реализации оперативного управления УППН и
стабилизации регулируемых значений технологических параметров в заданном
диапазоне, для поддержки работы ИСППР.
Выделим и обозначим основные атрибуты классов,
которые соответствуют технологическим параметрам, необходимым для поддержки
оперативного управления УППН с использованием ИСППР.
1.
Класс «Crude-oil» - Сырая нефть. Атрибутами
данного класса являются следующие основные технологические параметры сырьевой
нефти: относительная плотность, вязкость, удельная теплота, удельная теплота сгорания,
диэлектрическая проницаемость, температура вспышки, молекулярная масса,
температура сырья на входе в колонну и давление;
1.
Класс «Tank» - резервуары. Атрибутами данного
классы являются основные технологические параметры резервуара: объем, расход на
входе и выходе резервуара, давление и температура внутри резервуара.
2.
Класс «Points» - узлы разделения и смешения
нефти и полупродуктов. Атрибутами данного класса являются следующие основные
параметры: расход потоков на входах и выходах узла.
3.
Класс «Pump» - насосы. Атрибутами являются
следующие основные технологические параметры: расход, давление, температуры и
состояние работы насоса.
4.
Класс «Valve» - клапаны. Атрибутом данного
класса является технологический параметр состояния клапана. Наименование - state-vale.
5.
Класс «Condenser» - холодильники. Атрибутами
данного класса являются: максимальная, минимальная и текущая температура.
6.
Класс «Heat-exchanger» - теплообменники.
Атрибутами являются основные технологические параметры: расход теплоносителя и
продуктов, температура теплоносителя и продуктов на входе и на выходе
теплообменников.
7.
Класс «Column» - колонны. Атрибутами являются
основные технологические параметры: температура верха и низа колонны, давление,
температура кипения фракции (начала кипения, 10% кипения, 50% кипения, 90%
кипения и конца кипения), и относительная плотность продуктов.
8.
Класс «Capacity» - емкость. Атрибутами данного
класса являются основные технологические параметры: максимальная, минимальная и
текущая температура.
рис.
2. Таблица основных атрибутов класса «Tank»
На основе вышесказанного рассмотрим разработку
прототипа базы знаний ИСППР при управлении УППН с использованием средств программирования G2 фирмы Gensym
[4]. На рис. 2. представлена таблица наименования основных атрибутов на примере
класса «Tank».
3. Разработка на основе G2 прототипа базы знаний ИСППР при
управлении УППН
Для разработки на основе средства G2 прототипа база
знаний ИСППР при управлении УППН необходимо определить следующие конкретные интеллектуальные
компоненты: модули, классы, экземпляры классов, связи, процедуры и правила.
3.1. Модуль прототипа базы
знаний ИСППР при управлении УППН
Модульность базы знаний в G2 позволяет, с одной
стороны, сгруппировать сходные знания в одном модуле для уменьшения взаимозависимости
между модулями, а с другой - обеспечить независимую разработку компонентов БЗ
командой разработчиков.
Определим модуль прототипа базы знаний ИСППР при
управлении УППН. Системная таблица модуля данной базы знаний представлена на
рисунке 3. Название модуля - «control-process-uppn».
С использованием команды «Inspect» главного меню на
рисунке 4 показан верхний уровень данного модуля.
рис.
3. Системная таблица модуля ИСППР управления УППН
рис.
4. Верхний уровень модуля «control –process-uppn»
3.2. Классы и экземпляры
объектов прототипа базы знаний при управлении УППН
Базы знаний G2 состоит из элементов, представляющих
знания. Все элементы в базе знаний строятся на основе определений, образующих
иерархию классов. Эта иерархия является основой всего представления знаний в
G2.
На рисунке 5 представлено рабочее пространство
классов и экземпляров классов для объектов базы знаний при управлении УППН.
рис.
5. Рабочее пространство классов объектов базы знаний ИСППР при управлении УППН
Родительским классом прототипа базы знаний ИСППР
при управлении УППН является «Installation-of-primary-oil-refining»,
имеющим два подкласса – «Equipments» и «Flux», которые также имеют свои подклассы и т.д. На рисунке
6 представлен фрагмент иерархии классов прототипа БЗ ИСППР.
рис.
6. Фрагмент иерархии классов БЗ ИСППР
управления УППН
В атрибутах каждого класса имеется специфическая
информация, необходимая для работы с данным классом и задаваемая в «class-name», «Direct-superior classes», «Class-specific-attributes»
и «Stubs». На рисунке 7 представлен пример таблицы
класса на примере классов «Installation-of-primary-oil-refining»
и «column»; для каждого класса определены экземпляры
класса с использованием редактора G2. Рабочее пространство экземпляров классов
представлено на рисунке 8.
рис
.7 . Таблицы родительского класса базы знаний «Installation-of-primary-oil-refining»
и класса «column»
рис.
8. Рабочее пространство экземпляров классов БЗ ИСППР управления УППН
Основные управляющие технологические параметры
каждого объекта, которые были определенны как специфические атрибуты класса
объекта, отображаются в таблице. На рисунке 9 представлен фрагмент таблицы
отображения атрибутов класса на примере класса «Tank».
При работе системы управления значения внешних атрибутов типа “Input/Output” принимают текущие
измеренные значения. Аналогично представляются и изменяются атрибуты и у других
классов.
рис.
9. Таблица основных атрибутов класса «Tank», на
уровне экземпляра
На основе рисунка 1, и используя экземпляров
классов, разработана мнемосхема УППН. На рисунке 10 представлены фрагменты
мнемосхемы до запуска системы, а на рисунке 11 - после запуска системы;
указанные фрагменты иллюстрируют изменение соответствующих атрибутов.
рис.
10. Фрагмент мнемосхемы до запуска системы
рис.
11. Фрагмент мнемосхемы после запуска системы
3.3. Оновные
процедуры и правила прототипа базы знаний ИСППР при управлении УППН
Процедуры предназначены для определения состояний
экземпляров классов, а правила необходимы для выполнения мониторинга значений
атрибутов основных компонентов УППН. На рисунке 12 представлен пример описания
процедуры определения состояния экземпляров (на примере класса «Tank») после запуска и при функционировании системы.
рис.
12. Описание процедуры определения состояния экземпляров класса «Tank»
На рис. 13. представлено рабочее пространство на
примере правил прототипа БЗ ИСППР при управлении УППН, а на рис. 14.
представлен фрагмент мнемосхемы после запуска системы, с обнаружением
отклонения.
рис. 13. Рабочее
пространство правил класса «Tank»
рис.
14. Фрагмент мнемосхемы АВТ
Выводы
Для проектирования ИСППР при управлении УППН
выделены основные компоненты оборудований в базе знаний экспертных систем
ИСППР; основные классы и экземпляры классов. При запуске системы состояния
экземпляров изменяются в зависимости от текущих значений атрибутов, при
превышении порогов, устанавливающих ограничения. Представление таких изменений
состояний оборудований реализуется с использованием разработанных процедур.
Разработанные правила обеспечивают обработку знаний ИСППР.
Литература
1. Кусимов С.Т., Ильясов Б.Г.,
Исмагилова Л.А., Валеева Р.Г. Интеллектуальное
управление производственными системами. - М.: Машиностроение, 2001. - 327 с.
2. Мешаклин В.П. Экспертные системы в
химической технологии. Основы теории, опыт разработки и применения. - М.:
Химия, 1995. - 368 с.
3. Пупков К.А., Коньков В.Г.
Интеллектуальные системы. - М.: МГТУ им.Н.Э. Баумана, 2003. - 194 с.
4. Рыбина. Г.В. Основы
построения интеллектуальных систем. - М.: Финансы и статистика: Инфра-М, 2010. - 430 с.
5. http://www.gensym.com/index.php // http://www.ntpdubna.ru//g2.htm.
6. Эрих В.Н., Расина М.Г.,
Рудин М.Г. Химия и технология нефти и газа. - Л.: Химия, 1972.