Современные информационные технологии /3. Программное обеспечение.

В.А. Антонов

Ст. преп. каф. АИПУ, programtec@mail.ru, МИЭМ НИУ ВШЭ, Москва.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕОРИИ ИЕРАРХИЧЕСКИХ МНОГОУРОВНЕВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВОЙ АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМ ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ГИС И ГРУППОЙ ГИС.

В ведущей энергетической компании России – ОАО «Газпром» - разработана и развернута отраслевая система оперативно-диспетчерского управления (ОСОДУ) Единой системы газоснабжения России (ЕСГ), которая предназначена для централизованного управления единым технологическим комплексом добычи, транспорта, хранения и переработки газа, ее составной частью является отраслевая система учета расхода газа (ОСУРГ). Иерархическая схема ОСОДУ представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Иерархическая схема ОСОДУ ЕСГ РФ

В числе основных источников информации для ОСУРГ находятся газоизмерительные стации (ГИС).

Построение современной системы управления и контроля газоизмерительной стацией (ГИС) и группой газоизмерительных станций – важная и актуальная задача.

Система управления и контроля ГИС должна обеспечивать: оперативность, точность, достоверность результатов измерения расхода газа, необходимых для коммерческого учета газа, помимо этого: надежность, непрерывность и безопасность функционирования оборудования и систем ГИС.

ГИС располагаются на магистральных трубопроводах (МГ). ГИС МГ – совокупность технологического оборудования, комплексов измерительных средств и систем коммерческого учета объемного расхода газа, приведенного к стандартным условиям, поставляемого крупным потребителям или районам.

Основной критерий оптимального размещения ГИС в газотранспортных системах – достоверность и воспроизводимость расходоизмерительных процессов и обеспечение высокой степени точности измерения объемного расхода и коммерческого учета газа при его добыче, транспортировке, хранении, переработке и распределении потребителям.

Целью исследования было изучение возможности модернизации существовавшей системы управления ГИС и системы передачи информации от ГИС для ОСУРГ в рамках иерархической концепции заложенной в ОСОДУ.

Исследованию подвергались исключительно пограничные ГИС ЕСГ России, которые предназначены для учета объемного расхода газа, поставляемого за пределы Российской Федерации, расположенные непосредственно на границе РФ и сопредельных государств.

Были изучены все пограничные ГИС, принадлежащих ООО «МОСТРАНСГАЗ» (через эти ГИС осуществляются поставки около 80% от всего объема экспорта газа из Российской Федерации) и пограничные ГИС ООО «ЛЕНТРАНСГАЗ», через эти ГИС осуществляется поставки газа в Белоруссию и Прибалтику.

По итогам исследований был сделан вывод, что это однотипные объекты, построенные по одним и тем же принципам, с одинаковым набором оборудования, соответствующие схеме, представленной на рисунке 2.

Рис. 2. Принципиальная схема ГИС

1. пылеуловители, сепараторы, фильтры для удаления конденсата (жидкости);

2. входная коллекторная трубопроводная система;

3. входные краны, задвижки;

4. патрубки с вентилями для продувки входных измерительных трубопроводов;

5. входной участок стабилизации газового потока измерительных трубопроводов;

6. стандартные диафрагмы, турбинные расходомеры или ротационные счетчики газа;

7. выходной участок стабилизации газового потока измерительных трубопроводов;

8. патрубки с вентилями для продувки выходных измерительных трубопроводов;

9. выходные краны, задвижки;

10. входная коллекторная трубопроводная система;

11. пробоотборное устройство для подключения соответствующих средств измерений газа;

12. средства местного контроля;

13. средства дистанционной передачи измерений;

14. средства контроля и регистрации непрерывных измерений;

15. вычислительная техника.

Сложно дать полное определение многоуровневой иерархической системы в виде краткой и сжатой формулировки, чаще всего за таковое принимается указание нескольких существенных характеристик: последовательное вертикальное расположение подсистем, составляющих данную систему (вертикальная декомпозиция); приоритет действий или право вмешательства подсистем верхнего уровня; зависимость действий подсистем верхнего уровня от фактического исполнения нижними уровнями своих функций.

Исходя из этого определения, ОСОДУ и ее составная часть ОСУРГ являются многоуровневыми иерархическими системами.

Системы диспетчерского управления ГИС и группой ГИС поставляют информацию для ОСУРГ и должны быть интегрированы в ее иерархию.

Дальнейшее исследование позволило составить типовую схему помещений ГИС и типовую структурную схему связи основных систем ГИС, представленную на рисунках 3 и 4.

Рис. 3. Схема помещений ГИС

Рис. 4. Структурная схема связи основных систем ГИС

Из анализа этих схем и других итогов исследования, был сделан вывод о том, что существовавшая система диспетчерского управления ГИС является многоуровневой многоцелевой иерархической системой, в составе этой системы в качестве решающего (принимающего решения) элемента выступает оператор – человек.

В ходе исследования были выявлены существенные недостатки существовавшей системы:

· связь между существовавшей автоматизированной системой, собиравшей данные и информацию от средств контроля и регистрации непрерывных измерений и от устройств отдельных ГИС, и вышестоящим уровнем ОСУРГ в виде единого автоматизированного процесса отсутствует;

· все данные от каждой ГИС можно получить в виде распечатанных отчетов на бумаге, передача на следующий уровень ОСУРГ (управление магистральных газопроводов - УМГ) осуществляется оператором ГИС по телефону с помощью голосовой связи, что противоречит концепции ОСОДУ;

· отсутствие возможности интеграции в иерархию ОСУРГ с возможностью передачи информации на следующие уровни иерархии;

· отсутствие подсистемы (уровня) автоматического управления, способной заменить оператора ГИС при принятии управляющих решений.

Предварительные выводы:

· Модернизация существовавшей системы для ее интеграции в ОСУРГ невозможна из-за отсутствия в ней соответствующих модулей и систем связи, а так же из-за использования устаревшей аппаратной части и версии операционной системы, которая прекратила свое развитие и поддержку производителя.

· Необходимо создание новой системы диспетчерского управления и контроля ГИС, которая учитывала бы опыт эксплуатации существовавшей системы управления ГИС, использовала бы то же самое оборудование, размещалась бы в тех же самых помещениях, но была бы лишена ее недостатков.

Таким образом, возникла необходимость в разработке новой системы диспетчерского управления и контроля ГИС.

В силу конструктивных особенностей прокладки МГ несколько ГИС располагаются относительно недалеко друг от друга, и один и тот же оператор обслуживает их за смену, обходя каждую ГИС по очереди.

При разработке новой архитектуры системы диспетчерского управления и контроля ГИС был организован дополнительный уровень иерархии – система диспетчерского управления и контроля группой ГИС. Этот уровень необходим для сбора информации от однотипных объектов – ГИС, и дальнейшей ее передачи на следующий уровень иерархии – управление магистральных газопроводов (УМГ). Также организация этого уровня позволила улучшить качество и удобство работы оператора ГИС за счет того, что информация от всех станций поступает в одно место, в том числе информация о критических и аварийных событиях, отпадает необходимость их постоянного обхода, а реакция на критические события наступит быстрее за счет оперативного оповещения оператора ГИС (рисунок 5).

Рис. 5. Взаимодействие ГИС и дистанционного пункта управления группой ГИС.

Дистанционный пункт контроля и управления группой ГИС расположен на удалении от ГИС, максимальная дальность до ГИС – 600 метров.

Итоговая архитектура иерархических систем диспетчерского управления и контроля ГИС и группой ГИС представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Архитектура иерархических систем диспетчерского управления и контроля ГИС и группой ГИС.

Уровень (эшелон) 1 – это самый нижний, «примитивный» уровень иерархии на котором располагаются электронные устройства ГИС, с помощью которых происходит взаимодействие всех более старших уровней с внешней средой (МГ, ИТ, подсистемами ГИС, расположенными в помещениях ГИС), которые способны фиксировать данные, передавать их на следующий уровень, передавать управляющие сигналы от старшего уровня на подключенные к ним механизмы и агрегаты. На этом уровне нет решающих элементов, нет элементов способных к обучению и адаптации.

Уровень (эшелон) 2 – следующий уровень иерархии, на нем располагается вычислительная техника, на которой находится и выполняется система диспетчерского управления и контроля ГИС, задачей этого уровня является сбор и обработка информации, поступивший от первого эшелона, а также генерация управляющих сигналов для него. Помимо этого, на нем решается задача передачи информации, необходимой для последующих уровней. Этот уровень должен обладать правом принятия решения о воздействии на первый эшелон для управления внешней средой, а также обеспечивать работу в режиме ретрансляции управляющих сигналов от вышестоящего уровня к первому.

Т.е. должна обеспечиваться работа в трех режимах:

1. Ручном – принятие решений возлагается на оператора ГИС, который находится на этом уровне и непосредственно отдает команды устройствам первого уровня, посредством системы диспетчерского управления и контроля ГИС.

2. Удаленном – принятие решений возлагается на вышестоящий уровень, система диспетчерского управления и контроля ГИС работает в режиме ретрансляции сигналов от него.

3. Автоматическом – принятие решений возлагается на подсистему автоматического управления, которая должна являться составной частью системы диспетчерского управления и контроля ГИС или взаимодействовать с ней.

Уровень (эшелон) 3 – уровень, предназначенный для контроля нескольких вторых эшелонов, на этом уровне расположена вычислительная техника, на которой находится и выполняется система диспетчерского управления и контроля группой ГИС. Задачи этого эшелона отчасти аналогичны задачам системы второго уровня: сбор и обработка информации, поступившей от систем предыдущего уровня иерархии, передача части этой информации для систем следующего эшелона. Тут находится рабочее место оператора ГИС, который наблюдает и контролирует происходящее на подчиненных уровнях, в случае каких-либо ситуаций, требующих вмешательства оператора, система третьего уровня должна обратить его внимание к проблемному участку. Помимо этого должна обеспечиваться генерация управляющих сигналов для систем второго уровня, для воздействия на нижестоящий уровень иерархии для управления процессами внешней среды. В качестве решающего элемента на этом уровне может выступать как оператор ГИС, так и подсистема автоматического управления.

Уровень (эшелон) 4 – следующий уровень иерархии, работа которого не входит в рамки данного исследования. Следует отметить, что на нем также расположена вычислительная техника, предназначенная для сбора информации от различных систем нижестоящих эшелонов, и система диспетчерского управления и контроля ГИС и группой ГИС – только одна из них. На четвертом уровне иерархии управляющих решений для систем диспетчерского управления и контроля ГИС и группой ГИС не вырабатывается, осуществляется лишь мониторинг и фиксация поступившей от них информации.

Расстояние от объекта управления до первого уровня – до 15 метров, расстояние от первого до второго уровня – до 50 метров, удаление второго уровня до третьего составляет – до 600 метров, расстояние от третьего до четвертого уровня – десятки километров.

Период принятия решения для элемента верхнего уровня больше, чем для элементов нижних уровней, и элемент верхнего уровня имеет дело с более медленными аспектами поведения всей системы. Исходя из этого, наиболее оптимальным для расположения подсистемы автоматического управления системой диспетчерского контроля и управления ГИС является второй уровень, т.к. время реакции на какое-либо событие будет минимальным. Расположение подсистемы автоматического управления на третьем уровне значительно увеличит время реакции системы при том, что алгоритм действий подсистемы автоматического управления будет одинаков для систем как второго, так и третьего уровня. Размещение подсистемы автоматического управления системой диспетчерского контроля и управления ГИС на последующих уровнях иерархии не является оптимальным, т.к. время реакции будет слишком большим, сложность протоколов связи и количество передаваемой информации возрастет, что создаст ненужную нагрузку на всю иерархию в целом и значительно усложнит разработку систем всех уровней.

Таким образом, была разработана, предложена и реализована новая типовая архитектура систем управления ГИС и группой ГИС, которая на сегодняшний день является оптимальной и подходит для концепции ОСОДУ. Подобная архитектура реализована на всех пограничных ГИС ООО «МОСТРАНСГАЗ» («ГАЗПРОМТРАНСГАЗ МОСКВА»), структурного подразделения концерна ОАО «ГАЗПРОМ». Подобная архитектура останется неизменной до появления качественно новых технологий передачи информации и качественно новых вычислительных систем.

Литература:

1. Лаврухин В.К. Программа поэтапного развертывания работ по созданию Отраслевой системы оперативно-диспетчерского управления (ОСОДУ) Единой системы газоснабжения России. / Материалы НТС ОАО «Газпром» Состояние и основные этапы создания единой отраслевой автоматизированной системы учета расхода газа ООО «Газпром». – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2000.

2. Панкратов В. С., Вербило А. С. Автоматизированные системы диспетчерского управления ГТС. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2001.

3. Подмарков В. Ю., Миронов Н. К., Гончаров В. В., Сужов И. Е. Автоматизация диспетчерского управления на уровне ЦПДУ «Газпром». – М.: ОАО «Газпром», 2000.

4. Хомяков А.С. Некоторые аспекты энергосбережения в Российской Федерации при учете расхода и количества природного газа методом переменного перепада давления/ Материалы НТС ОАО «Газпром» Состояние и основные этапы создания единой отраслевой автоматизированной системы учета расхода газа ООО «Газпром».- М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2000.

5. Александрова И.С. Основные требования к комплексу автоматизации ГИС / Материалы НТС ОАО «Газпром» Состояние и основные этапы создания единой отраслевой автоматизированной системы учета расхода газа ООО «Газпром». – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2000.

6. Редактор Р.И.Вяхирев Российская газовая энциклопедия. – М.: «Большая Российская Энциклопедия», 2004.

7. Аграновский Е.А., Лактионов А.Г., Захаров Н.А., Меньшиков В.В. Газоизмерительная станция “Смоленская”, Промышленные контроллеры АСУ, №8, 2002.

8. Правила технической эксплуатации Магистральных Газопроводов ВРД 39-1.10-006-2000, М. 2000.

9. Правила технической эксплуатации Магистральных Газопроводов. – М.: «НЕДРА», 1982.

10. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. – М.: «МИР», 1973.