Информационно-аналитическая система оценки и мониторинга надежности для автоматизированного диспетчерского управления трубопроводным транспортом газа

Единая система газоснабжения Российской Федерации является сложной гетерогенной системой, входящей в состав федеративной транспортной сети. Производственно-технологический комплекс единой системы газоснабжения (ЕСГ) включает различные объекты добычи, переработки, транспортировки и подземного хранения газа.

По данным ОАО «Газпром» общая протяженность транспортной сети ЕСГ составляет более 160 тыс: км магистральных газопроводов < (МГ) высокого давления. Столь масштабная протяженность магистральных газопроводов определяет диверсификацию как производственно-технологического комплекса, так и условий его эксплуатации.

Современные тенденции развития программно-технических средств газотранспортных предприятий" ориентированы, на* повсеместный переход к управлению" производственно-технологическим комплексом в режиме-реального времени, при котором в режиме реального' времени обеспечивается автоматизированный контроль^ и управление основными и вспомогательными технологическими процессами транспорта газа через систему магистральных газопроводов.

Актуальность проблемы. В последние годы в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП) транспортом газа проявились две основные тенденции развития. Первая тенденция-определена переходом к управлению локальными объектами на уровень автоматического управления. Вторая тенденция связана с формированием и развитием автоматизированного диспетчерского управления (АСДУ) как магистрального направления развития АСУ ТП.

Старение технологического оборудования Единой системы, газоснабжения (ЕСГ) определило необходимость реконструкции и технического перевооружения газотранспортных систем (ГТС), правила осуществления которых должны базироваться на текущих и прогнозируемых значениях показателей эксплуатационной надежности базовых объектов ГТС ЕСГ.

Указанные обстоятельства делают актуальным построение и введение в АСДУ транспортом газа автоматизированной подсистемы мониторинга, анализа, расчета и прогнозирования основных показателей эксплуатационной надежности базовых объектов ГТС ЕСГ. В настоящее время в газотранспортных предприятиях имеющаяся информация об отказах носит фрагментарный характер и не в полной мере используется для расчета показателей эксплуатационной надежности и"их прогнозирования.

Требования кобеспечению энергетической безопасности’усиливаются с каждым годом, поэтому становится важным не толькооценивать выбранные показатели^ надежности, но «и проводить мониторинг надежности выполнения, отдельных функций автоматизированного управления и надежности функционирования базовых объектов ГТС ЕСГ. Оценка надежности в этих условиях должна проводиться на основе статистической информации об отказах оборудования и систем автоматизации, а также их технического состояния.

Решение проблемы оценки и мониторинга надежности в АСДУ должны охватывать следующие уровни:

— технологический уровень (газоперекачивающие агрегаты (ГПА), трубопроводные системы и др.);

— уровень автоматизации управления (системы автоматического управления газоперекачивающих агрегатов (САУ ГПА), системы линейной телемеханики и др.);

— уровень человеко-машинного управления (система диспетчер — информационно-управляющая система (ИУС)), включающий надежность функционирования диспетчера, средства вычислительной техники и связи, программное обеспечение и др., т. е. всю цепочку элементов, обеспечивающую выполнение некоторой функции автоматизированного диспетчерского управления.

Получение практических результатов по оценке и мониторингу надежности применительно к гетерогенной системе, какой является автоматизированная система диспетчерского управления, затруднительно по ряду причин, основными из которых являются:

— отсутствие консолидированной информации по отказам;

— отсутствие моделей и методов расчета применительно к АСДУ. Актуальность поставленной^ в. диссертационной.: работе проблемы, обусловлена необходимостью обеспечения растущих требований к надежности систем поставок газа в условиях недостаткагспециализированных информационных систем, интегрирующих, информацию об отказах и математические модели. оценки и прогнозирования показателей надежности.

Целью работы является разработка информационно-аналитической системы «Оценка и мониторинг надежности для АСДУ (АСУ ТП)». В качестве первоочередной проблемы предлагается рассмотреть оценку и мониторинг надежности: двухуровневой системы, включающейактивный элемент, т. е. FILA и САУ ГПА. Газоперекачивающие: агрегаты, являются: технологически активными элементами ГТС и играют важную роль в надежном и эффективном-функционировании ГТС.

Для’достижения поставленной цели: были проведены следующие этапы исследования:

— проведен анализ состояния задач оценки надежности ГПА, САУ ГПА и других базовых элементов в АСДУ (АСУ ТП);

— разработана, архитектура ИАС оценки и мониторинга надежности для АСДУ (АСУ ТП) транспортом газа (на примере ГПА и САУ ГПА);

— разработано математическое обеспечение и методики, позволяющие решить задачи оценки и мониторинга надежности функционирования активных элементов ГТС- - разработана система паспортизации активных элементов и их: событий-.

— разработано программное обеспечение ИАС;

— проведена апробация и практическое применение разработанной ИАС на газотранспортном предприятии (Г 111).

Все вышеуказанные этапы, задачи и вопросы нашли свое отражение в диссертационной работе.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана архитектура ИАС «Оценка и мониторинг надежности для АСДУ (АСУ ТП)»;

2. Разработана система моделей ИАС, позволяющая оценивать и проводить мониторинг надежности функционирования активных элементов ГТС, прогнозировать показатели надежности на основе статистической информации об отказах, консолидируемой в едином информационном пространстве;

3. Предложена модель оценки качества обслуживания активных элементов РТС;

4. Сформирован новый контур управления, позволяющий использовать 1 обработанную на моделях информацию об отказах для принятия решений по планированию диспетчерских режимов, мероприятий технического обслуживания и ремонтов (ТО и Р) и замены оборудования.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основе предложенных методов оценки и мониторинга надежности, созданной" ИАС и, интеграционного подхода к оценке надежности для АСДУ (АСУ ТП) руководству диспетчерской службы предоставляется возможность мониторинга состояния технологических объектов и оценки показателей надежности систем ГТП, руководству производственных служб предоставляется возможность принятия своевременных и обоснованных решений по замене и восстановлению основного оборудования предприятия.

Для вновь создаваемых или модернизируемых систем диспетчерского управления транспортом газа предлагается ввести новую систему, практически реализующую требование по надежности базовой цели диспетчерского управления — бесперебойное снабжение газопоставок и надежное обеспечение газом потребителей" (Федеральный закон № 63-ФЗ от 31.03.1999).

Апробация работы. Работа прошла апробацию на экспериментальном материале и была введена в опытную эксплуатацию на базе филиала кафедры «Автоматизированные системы управления» РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина в ООО «Газпром трансгаз Москва». Результаты исследования обсуждались на заседаниях научно-технических советов в ООО «Газпром трансгаз Москва», ОАО «Газпром автоматизация», а также на научных семинарах в РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина. Полученные в ходе исследований результаты были использованы на курсах повышения квалификации диспетчерского персонала ОАО «Газпром» в УИЦ РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на 8-ой Всероссийской научной конференции, посвященной 80-летию РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, Международной научно-технической конференции «Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов», г. Минск.

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 11 работ, в том числе 5 работ в изданиях, включенных в список ВАК РФ для обязательной публикации. Четыре публикации выполнены без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех основных глав и заключения, изложена на 140 страницах, содержит 10 таблиц, 39 рисунков, список литературы из 90 наименований и 5 приложений.

3.5. Выводы.

1. Предложена методика оценки и прогнозирования эксплуатационных показателей надежности (параметра потока отказов co{t) и средней наработки на отказ T{t)) ГПА и САУ ГПА на основе статистических данных разработанной ИАС.

2. Для двух выборок, рассмотренных в данной главе, были зафиксированы периоды времени, в которых значения наработки на отказ Г (/) оказывались меньше значения показателя надежности, указанного в технических условиях для ГПА (3 500 ч.). Данный вывод свидетельствует о завышении реальных возможностей оборудования в паспортных характеристиках, поднимает вопрос о целесообразности использования в технических условиях усредненного показателя и показывает необходимость и актуальность методики в управлении техническим состоянием ГТС.

3. Учитывая нестационарность процесса возникновения отказов в ходе эксплуатации объектов ГТС, а также принимая во внимание экономический аспект последствий аварийных и вынужденных остановов технологического оборудования и систем управления, является особенно важным процесс мониторинга и сбора статистических данных об отказах ГПА и САУ ГПА.

4. Наличие в системе «Оценка и мониторинг надежности для АСДУ (АСУ ТП)» аналитической информации об отказах позволяет обеспечить обратную связь с производителями и проектировщиками с целью корректировки технических условий и паспортных данных технологического оборудования и систем управления.

Заключение

.

В диссертационной работе представлена разработка ИАС «Оценка и мониторинг надежности для АСДУ (АСУ ТП)». По результатам исследований получены следующие основные теоретические и практические результаты:

1. Разработана архитектура информационно-аналитической системы, обеспечивающей оценку и мониторинг надежности на уровнях ЛИ У и ГТП. В качестве исходной задачи оценивалась надежность ГПА и САУ ГПА. На примере ГПА и САУ ГПА показана возможность оценки и мониторинга надежности основных активных элементов.

2. Разработано информационное обеспечение системы, включающее: совокупность единой системы баз данных и справочников технологического оборудования ГТПметоды организации, хранения идальнейшего использования статистических данных для решения задач оценки надежности. Решена задача консолидации информации об отказах в единой ИАС.

3. Разработано математическое обеспечение ИАС, содержащее модели-оценки надежности и работоспособности элементов, кластерного анализа эмпирических данных, нечеткой логики и. методы, оценки и прогнозирования показателей надежности.

4. Проведенные на основе разработанных алгоритмов расчеты статистической информации об отказах показали, что паспортные характеристики по надежности, указанные в технических условиях ГПА, существенно превышают расчетные оценки. Предложенные модели и алгоритмы позволяют получать различные показатели надежности функционирования системы ГПА — САУ ГПА, а также производить расчет пропускной способности КС на основе реального технического состояния агрегатов.

5. Предложена модель для оценки качества технического обслуживания, позволяющая производить сравнительные характеристики состояния качества обслуживания основных активных элементов ГТС для различных подразделений ГТП (например, рекомендации эксплуатационным службам ЛПУ).

6. Ввод в эксплуатацию разработанной на основе проведенных научных исследований информационно-аналитической системы позволяет сформировать новый контур управления, обеспечивающий взаимодействие АСДУ технологическими процессами: с системой управления производственно-хозяйственной деятельностью (ЕЯР-системой) (в том числе, с системой технического обслуживания и ремонта ТО и Р) — с сервисными службами для повышения качества обслуживания в ходе эксплуатации активного оборудования КСс производителями ГПА и САУ ГПА для повышения качества производства.

7. Проведена опытная эксплуатация фрагмента системы (для активных элементов) на базе филиала кафедры «Автоматизированные системы управления» в ООО «Газпром трансгаз Москва», продемонстрировавшая эффективность внедрения данной системы.

Реализация информационно-аналитической системы оценки и мониторинга надежности в составе автоматизированной системы диспетчерского управления обеспечивает интеграцию АСДУ технологическим процессом транспорта газа с ИУС организационно-экономического уровня.