Автоматизовані системи управління на виробництві

УДК685.5.01:621.64.29

д.т.н.Семенцов Г.Н., Петеш М.О.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

ГОЛОВНІ ПРИНЦИПИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ УПРАВЛІННЯ ГАЗОТРАНСПОРТНОЮ СИСТЕМОЮ

Як показав аналіз літературних джерел [1,2 та ін.], сучасні газотранспортні системи (ГТС) є складними системами, властивості яких визначають складність задач їх аналізу і необхідність розроблення спеціальних обчислюючих методів і засобів для їх вирішення.

З одного боку, успішне виявлення властивостей системи за її структурою і значенням параметрів (задача аналізу), а також структури і параметрів системи за заданими властивостями (задача синтезу) вимагають достатньо глибокої кількісної оцінки властивостей як системи в цілому, так і її елементів в різних умовах функціонування. З іншого боку, вирішення задачі загальносистемного характеру полягає в находженні загальних закономірностей і методів, які притаманні великим сукупностям об’єктів, які пов’язані деяким чином.

Структурний аналіз дозволяє, виходячи із заданого опису елементів системи і безпосередніх зв’язків між ними, визначити, як правило якісно, структурні властивості як системи в цілому, так і основних її підсистем. З математичної точки зору розгляд ГТС при такій постановці задачі веде до переходу від опису різноманітних безпосередніх зв’язків між еплементами системи до опису структурних зв’язків. Такий підхід особливо ефективний, коли як підсистеми розглядаються деякі елементи ГТС (лінійні ділянки, компресор та ін.), які функціонують більш-менш самостійно.

В літературі [2] широко описані методи структурного аналізу, які застосовуються до задач розрахунку статичних режимів ГТС.

З огляду на те, що реальні умови функціонування ГТС не обов’язково носить стаціонарний характер і можуть змінюватися у часі (наприклад, для гідравлічного опору з параметрами, які змінюються в часі, особливе значення набувають методи структурного аналізу для моделювання нестаціонарних режимів ГТС). Підтвердженням сказаного є той факт, що вибір неоптимальних усереднених параметрів елементів агрегату, який працює в нестаціонарному режимі, з одного боку, може призвести до відхилень від потрібних параметрів, тобто до прямого погіршення якості системи (підсистеми чи елементу) і зниженню працездатності обладнання. Проте з іншого боку, розроблення методів структурного аналізу і розрахунок оптимальних режимів нестаціонарних станів ГТС може дати значний економічний ефект, хоча практично їх реалізація вимагає створення складних систем управління.

Вказанні особливості ГТС призводять до деяких труднощів автоматизації їх технологічних процесів у зв’язку з нестаціонарністю, багатомірністю, невизначеністю, викликаною дією збурень, які не контролюються, недостанім вивченням протікаючих фізичних процесів та ін. Застосування традиційних методів автоматизації управління в таких умовах мало ефективне. Тому в даний час актуальними є наступні напрямки удосконалення систем управління:

– удосконалення локальних систем автоматичного керування в напрямку знаходження оптимальних алгоритмів управління, підвищення швидкодії і точності регулювання за основними параметрами на базі штучних нейронних мереж, нечіткої логіки, генетичних алгоритмів, тощо;

– побудова ефективної автоматизованої системи управління технологічними процесами на базі системного підходу до вирішення задач автоматизації, для чого необхідне досконале вивчення об’єкта управління, математичний опис, алгоритми управління, а також наявність необхідних засобів автоматизації (джерела інформації, засоби її передачі, виконавчі механізми та ін.);

– застосування комп'ютерів головним чином для мети безпосереднього цифрового управління:

– впровадження автоматичного керування процесами за якісними показниками;

– підвищення вимог до засобів автоматизації (надійність, чутливість, точність).

У зв’язку із різноманітною фізичною природою процесів, які виникають в ГТС та їх стохастичністю синтез систем управління є достатньо трудомісткою процедурою, яка залежить від класу і властивостей об’єктів управління. Різноманітність класів об’єктів породжує різні методи ідентифікації і управління, які використовуються при їх синтезі. Відмітемо, что синтез управління ГТС є [1] вирішенням задач ідентифікації системи і синтезу керуючих пристроїв.

Отже, головним напрямком підвищення ефективності ГТС є удосконалення їх систем управління. Вирішення задачі управління технологічними процесами математичними методами здійснюється алгоритмом оптимізації. Базою для розрахунку є математична модель ГТС. Проте, у зв’язку з тим, що ці питання теоретично недостатньо вивчені, поставлена задача є досить складною. Причому складність заключається не тільки у складності конфігурації структури ГТС, але й у відносній складності розроблення ефективних алгоритмів управління нею, що в більшій мірі залежить від адекватності отриманих моделей елементів ГТС.

Практичне вирішення вихідних рівнянь руху газу [2] можливе, причому, з великою точністю, за вихідними нелінійними диференційними рівняннями в частвоких похідних, які описують рух газу в трубопроводах за домомогою числового інтегрування на ЕОМ. Однак даний підхід мало економічний [2], і головне, вимагає значного часу для вирішення задач автоматичного управління системою газопостачання. Це виникає тому, що в багатьох випадках вибір раціональних режимів експлуатації ГТС не є кінцевим і необхідні різні варіантні доробки по вибору стратегії управління.

Практично будь-яка задача в області автоматичного управління вирішується наближено, тому що висока точність зовсім не обов’язкова або, краще сказати, не доцільна. При використанні будь-якого математичного опису, практично будь-якого технологічного об’єкта ГТС, завжди допускається певна похибка. Тому для визначення динамічних характеристик ГТС доцільно застосовувати наближені методи, тобто методи ідентифікації. При цьому підході досягається достатня для пирактичних задач точність. Величина наближеної похибки визначається заданими вимогами до показників якості процесів всієї системи автоматичного управління, степенем вірогідності визначення динамічних характеристик окремих елементів.

Для опису різноманітних технологічних ситуацій в різнотипних з точки зору математичного опису елементах складних ГТС і автоматичного управління ними, є доцільним використання ідей прикладної теорії гідравлічних ланцюгів. В цьому випадку елементи магістрального газопроводу (МГ) виглядають як з’єднання чотирьох-і багатополюсників.

У зв’язку з тим, що лінійна ділянка газопроводу описується трансцендентними операторами зв’язку, для отримання результатів використовують два підходи:

– апроскимацію дробово-раціональними передавальними функціями кінцевих часткових передавальних функцій для кожного входу і виходу всієї трубопровідної системи:

– структурний підхід в операторній області для різних конфігурацій трубопровідної системи з виділенням елементарних ланок і апроксимацією їх дробово-раціональними передавальними функціями.

У випадку значної нелінійності елементів трубопровідної системи, наприклад, при вирішенні задач автоматичного управління в аварійних ситуаціях, можливим є застосування підходу, який базується на використанні теорії неоднорідних ліній.

У загальному випадку МГ як неоднорідна лінія може бути розглянутий у вигляді каскадного з’єднання певної кількості однорідних ліній кінцевої довжини.

Використовуючи даний підхід, можливе вирішення задач автоматичного управління МГ в різних технологічних ситуаціях, у тому числі і аварійних, для вибору раціональних оперативних керуючих дій з метою зменшення збитків від їх наслідків. Можливості методу дозволяють використовувати його для оцінки чутливості складної системи газопостачання до змін її параметрів, складу споживачів газу, для вибору раціонального потокорозподілення в ГТС, оцінити і вибрати оптимальні режими роботи трубопроводів.

Література

1. Трубопровідний транспорт газу // М.П.Ковалко, В.Я.Грудз, Б.В.Михалків, Д.Ф.Тимків, Л.С.Шлапак, О.М.Ковалко; за редакцією М.П.Ковалко – Київ: Агенство з раціонального використання енергії та екології, 2002.– 600 с.

2. Щербаков С.Г. Проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа. М.: Издательство "Искра".– 1982.– 205 с.