Разработка методики параметрической диагностики газоперекачивающих агрегатов на основе анализа технологической информации

Актуальность темы

исследования. Теория управления, а также практический опыт эксплуатации различных технологических систем показывают, что с ростом их сложности и масштабов существенно возрастают роль и значение автоматизированных систем управления (АСУ) данными системами, а также систем контроля технического состояния (диагностики) составляющих их объектов. Это связано со значительным, а в целом ряде случаев решающим влиянием управляющих систем и систем диагностики на качество и объем решаемых технологическим объектом задач и эффективность его функционирования в целом.

Работа современных АСУ и систем диагностики связана с получением и обработкой большого объема различного рода информации. Общепризнано, что информация превратилась сегодня в ключевой ресурс повышения эффективности деятельности предприятия. Инвестиции в системы обработки информации не только приносят прибыль, но и напрямую способствуют увеличению капитализации самих предприятий.

Осуществление оперативного контроля над производственной деятельно-сью, текущим техническим состоянием отдельных технологических объектов, анализ текущей производственной ситуации и принятие на их основе адекватных управленческих решений — все эти функции сводятся, в конечном итоге, к работе с информацией. В этих условиях от того, насколько эта информация своевременна, достоверна, полна и насколько эффективны алгоритмы, используемые для ее обработки и визуализации, зависит конечный успех деятельности всего предприятия.

Таким образом, основной задачей информационных управляющих систем является обеспечение учета и управления производственно-хозяйственными процессами на основе сбора, обработки и представления информации о фактическом состоянии производственной и финансовой деятельности предприятия. При этом главной целью информатизации является повышение эффективности основных производственно-хозяйственных процессов.

В настоящее время в ОАО «Газпром» одним из наиболее приоритетных направлений развития является создание и развитие Отраслевой системы оперативно-диспетчерского управления (ОСОДУ) Единой системы газоснабжения (ЕСГ) России на базе взаимосвязанного иерархического комплекса АСУ, охватывающего все уровни управления ЕСГ и образующего отраслевую интегрированную информационно-управляющую систему (ОИИУС). Основой построения такой системы является принцип единства и совместимости математического, информационного и технического обеспечения АСУ всех уровней управления ЕСГ.

Современная АСУ представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления. Создание автоматизированных систем управления сложными технологическими процессами осуществляется с использованием автоматических информационных систем сбора данных и вычислительных комплексов, которые постоянно совершенствуются по мере эволюции технических средств и программного обеспечения.

О Ямбу|.

Ныдимская.

Н.Уренгойская.

Надыме ка!

ЛонНО ганская.

Пунгинская о.

1брьская.

Пелымская ЧаНг И идольская ЮГОРСК.

Карпинская.

•О Краснотурьинская.

Ляли некая.

Нижнетурьинская Ш.

Харп.

Приполярная.

СосьБ v Верхнеказымская О Бобровская.

УзюмЮганская НИадельская Н. Палымская «^э.

Условные обозначения.

Расположение ЦДС ООО «Тюментрансгаз» Системы ЛТ в работе Системы ЛТ в стадии СМР и ПНР Системы ЛТ в стадии проектирования Устаревшие системы ЛТ или их отсутствие.

Рис. 1. Общая схема магистральных трубопроводов ООО «Тюментрансгаз».

В рамках решаемой общеотраслевой задачи в отдельных газотранспортных предприятиях осуществляется создание и внедрение в систему диспетчерского управления информационно-управляющих систем (ИУС) объектов транспорта газа (ОТГ), например, такая система уже создана в ООО «Тюментрансгаз» [1−9]. Масштаб решенной задачи иллюстрирует рис. 1, на котором представлена общая схема магистральных газопроводов, обслуживаемых ООО «Тюментрансгаз», которое по длине эксплуатируемых газопроводов является крупнейшим в мире (их общая длина составляет 26 тыс. км).

Данные системы собирают, обрабатывают и хранят большие объемы информации, размещаемой в нескольких базах данных различного назначения. В то же время системы автоматизации, начиная с уровня автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и заканчивая системами планирования ресурсов предприятия, строились в разные периоды времени. Как следствие, они основывались на разных аппаратно-программных платформах, с использованием различных прикладных программ (коммерческих и разработанных непосредственно на предприятии) и разнородных баз данных. Оказалось, что из внедренных в ООО «Тюментрансгаз» систем агрегатной автоматики лишь около десяти процентов являются цифровыми и могут быть подключены к ИУС с помощью стандартных протоколов обмена данными. Остальные системы в настоящее время работают в аналоговом режиме. Как следствие, существовавшие на момент начала разработки ИУС ОТГ системы агрегатной автоматики не обеспечивали возможности приема и передачи данных в реальном масштабе времени, формирования единого информационного пространства и архива данных с санкционированным доступом для работников ООО «Тюментрансгаз». Это не позволяло службам и производственным отделам предприятия качественно осуществлять свои функции и организовать эффективное взаимодействие с системами, обеспечивающими его административно-хозяйственную деятельность. Данное обстоятельство потребовало внедрение дополнительных систем, например, системы Инфо-КС [10,11], осуществляющей перевод аналоговых сигналов в цифровые.

Несмотря на отмеченные трудности, сегодня можно констатировать, что в ООО «Тюментрансгаз» создана и находится в эксплуатации информационно-управляющая система объектов транспорта газа, которая интегрирует информационные и автоматизированные системы и обеспечивает прием, передачу информации в реальном масштабе времени.

Анализ опыта эксплуатации ИУС ОТГ в ООО «Тюментрансгаз» позволил выявить проблему, актуальную не только для обсуждаемого газотранспортного предприятия, газодобывающей отрасли в целом, но также и других отраслей промышленности — проблему эффективности использования собираемой системой управленческой и производственной информации в принимаемых управленческих решениях. Действительно, в современных условиях совершенно изменился подход к созданию сложных информационно-управляющих систем, в том числе, в газовой отрасли. В настоящее время разработана общая теория и накоплен опыт технического проектирования сложных иерархических систем, существуют технические решения и программные продукты, позволяющие автоматизировать процесс разработки информационных и автоматизированных управляющих систем, поэтому разработка подобных систем не вызывает принципиальных трудностей. Однако далее возникает необходимость использования адекватных методов обработки и визуализации собираемой информации, ее ранжирования в соответствие с потребностями существующих уровней управления предприятием и принимаемым на них управленческих решениях. Необходимо отметить, что подробная проработка и детализация данных задач на этапе проектирования и разработки подобных систем, как правило, не проводится, поэтому после внедрения в эксплуатацию совершенно закономерно становится очевидной актуальность задач обработки ранжирования и визуализации информации, решение которых «оставленных на потом».

Как показывает анализ опыта эксплуатации ИУС ОТГ ООО «Тюментранс-газ», информация, собираемая с систем автоматики уровня компрессорного цеха (КЦ) и передаваемая затем в базу данных реального времени (БДРВ), оказывается востребованной в основном на уровне диспетчера компрессорной станции (КС) и используется, в первую очередь, для оценки работоспособности собственно систем цеховой автоматики, но не для всей технологической системы транспорта газа уровня КС. Кроме того, собранная в БДРВ информация далее оказывается практически неиспользованной. Таким образом, коэффициент использования информации, собираемой ИУС ОТГ, оказывается невысоким. Отмеченные обстоятельства определяют актуальность разработки соответствующих методов обработки и визуализации информации, которые позволят более полно использовать данную информацию.

Принимая во внимание разнородность собираемой интегрированными в ИУС ОТГ информационными подсистемами информации и многообразие задач, решаемых в процессе управления газотранспортным предприятием, становится очевидно, что в рамках одного исследования охватить сразу все задачи невозможно. В настоящей работе проводится исследование возможности использования информации, собираемой ИУС ОТГ для технической диагностики газоперекачивающих агрегатов (ГПА), под которой, согласно определению, данному в «Политехническом словаре» [1997 г.], мы понимаем «установление и изучение признаков, характеризующих состояние технических систем, для предсказания возможных отклонений (в том числе за допустимые пределы, вследствие чего возникают отказы), а также разработка методов и средств экспериментального определения состояния этих систем с целью своевременного предотвращения нарушений нормального режима работы».

Актуальность темы

диссертационного исследования обусловлена тем, что ГПА, наряду с трубопроводной системой, являются теми составляющими системы транспорта газа, состояние которых определяет ее работоспособность. (Например, только в ООО «Тюментрансгаз» сегодня в эксплуатации находятся более 1100 газоперекачивающих агрегатов различного типа).

Объект исследования: методы обработки информации, собираемой информационно-управляющей системой газотранспортного предприятия.

Предмет исследования: алгоритмы технической диагностики ГПА.

Цель и задачи диссертационной работы: разработать алгоритм обработки технологической информации для оценки изменения технического состояния ГПА.

Поставленная цель предполагает решение следующих основных задач:

— провести анализ современного состояния информационно-управляющей системы объектов транспорта газа ООО «Тюментрансгаз», ее структуры и соответствующих информационных потоков;

— определить источники информации, собираемую информацию с которых можно использовать в задаче технической диагностики ГПА;

— исследовать структуру информации, используемой для оценки текущего технического состояния ГПА;

— получить оценки адекватности методик технической диагностики ГПА по экспериментальным результатам;

— выбрать адекватные математические методы и на их основе разработать алгоритмы обработки технологической информации, позволяющие оценивать техническое состояние ГПА.

Методы исследований. В работе были использованы методы общей теории систем, методов структурного анализа, теории моделирования, методы теории вероятностей, нелинейной хаотической динамики и фрактальной геометрии.

Новизна полученных результатов. К основным новым результатам, полученным в диссертации, можно отнести следующие:

— результаты оценки адекватности известных методик технической диагностики, использующих коэффициент технического состояния (КТС) по мощности;

— результаты статистического, корреляционного и спектрального анализа временных рядов, содержащих зависимости мгновенных значений температуры окружающего воздуха и КТС по мощности ГПА от времени;

— доказательство возможности описания временных рядов, содержащих зависимости мгновенных значений температуры окружающего воздуха и КТС по мощности ГПА от времени, как некоторых реализаций обобщенного броуновского движения;

— результаты исследования фрактальных свойств временных рядов, содержащих зависимости мгновенных значений температуры окружающего воздуха и КТС по мощности ГПА от времени, методами показателя Херста и накопленной дисперсии;

— результаты исследования фрактальных характеристик траекторий, задаваемых временными рядами, содержащими зависимости мгновенных значений температуры окружающего воздуха и КТС по мощности ГПА от времени, на фазовой плоскости.

Практическая значимость работы. Разработанный алгоритм оценки технического состояния прошел апробацию на ГПА, установленных на компрессорной станции «Комсомольская» ООО «Тюментрансгаз», и подтвердил свою работоспособность.

В настоящее время осуществляется разработка программной реализации предложенной автором методики, ее внедрение в систему оперативного диспетчерского управления включено в план развития ИУС ОТГ ООО «Тюментрансгаз» в 2006 г.

На защиту выносятся:

1) Результаты оценки адекватности известных методик технической диагностики ГПА, использующих КТС по мощности.

2) Результаты статистического, корреляционного и спектрального анализа временных рядов, содержащих зависимости мгновенных значений температуры окружающего воздуха и КТС по мощности от времени.

3) Результаты исследования фрактальных свойств временных рядов, содержащих зависимости мгновенных значений температуры окружающего воздуха и КТС по мощности от времени, методами показателя Херста и накопленной дисперсии.

4) Результаты исследования фрактальных характеристики траекторий, задаваемых временными рядами, содержащими зависимости мгновенных значений температуры окружающего воздуха и КТС по мощности от времени, на фазовой плоскости.

5) Алгоритм оценки технического состояния ГПА, основанный на анализе фрактальной размерности фазовой траектории, задаваемой временным рядом, содержащим зависимость мгновенных значений КТС по мощности.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации представлялись на Международной научно-практической конференции «Связь ПРОМ 2004», проводимой в рамках Евро-Азиатского международного форума «Связь-ПромЭКСПО 2004» (Екатеринбург, 2004) — Межрегиональном форуме «Приборостроение-2004» (Верхняя Пышма, 2004) — Международной научно-практической конференции «Связь ПРОМ 2005», проводимой в рамках ЕвроАзиатского международного форума «Связь-ПромЭКСПО 2005» (Екатеринбург, 2005) — Международной научно-практической конференции «Связь ПРОМ 2005», проводимой в рамках Евро-Азиатского международного форума «Связь-ПромЭКСПО 2005» (Екатеринбург, 2005), научных семинарах УГТУ-УПИ, технических совещаниях ООО «Тюментрансгаз» (г. Югорск).

Публикации. По результатам исследований опубликовано и находятся в печати 11 работ.

Структура диссертационной работы. Текст диссертационной работы состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

ВЫВОДЫ.

1. Описаны алгоритмы вычисления фрактальных размерностей, в том числе: емкостной размерности, поточечной размерности, корреляционной размерности, информационной размерности.

2. Для алгоритмов вычисления емкостной размерности, поточечной размерности, корреляционной размерности разработаны соответствующие программные реализации в идее m-функций пакета MATLAB.

3. Получены оценки числа арифметических и логических операций описанных алгоритмов вычисления фрактальной размерности, показывающие, что для двумерных фракталов алгоритмы вычисления емкостной и поточечной размерностей оказываются более предпочтительными, как требующие меньшего объема вычислений.

4. Проведено исследование траекторий на фазовой плоскости, задаваемых временными рядами [Kle J, [ГД, позволившее установить:

1) сходство свойств фазовых траектории, задаваемых временными рядами [^jve]|ТД > состоящее в том, что большая часть точек фазовой траектории оказывается сосредоточенной внутри соответствующего эллипса вытянутого вдоль оси абсцисс, а их меньшая часть — вне соответствующего эллипса;

2) сходство в изменении с течением времени геометрических свойств фазовых траекторий, в частности, их фрактальной размерности;

3) необходимость использования при нахождении оценки емкостной и поточечной размерностей 10 и более прямоугольников, покрывающих фазовую траекторию;

4) различия в законах, описывающих изменения во времени фрактальной размерности фазовых траекторий, задаваемых временными рядами. >

7Д, проявляющееся в том, что, во-первых, угловые коэффициенты соответствующих прямых, аппроксимирующих зависимости d (t) имеют разные знаки, во-вторых, абсолютные значения данных коэффициентов временного ряда ive], оказываются почти на порядок больше соответствующих коэффициентов временного ряда [Г5]., что позволяет считать последнюю зависимость постоянной во времени.

5. Высказана гипотеза о связи значения фрактальной размерности суточной фазовой траектории и текущего технического состояния, подтвержденная:

1) сравнением длительностей прогнозируемого периода безаварийной работы ГПА с соответствующими значениями, известными из многолетнего опыта эксплуатации ГПА;

2) результатами вычисления параметров линейных функций, аппроксимирующих зависимости фрактальных размерностей от времени, которые были получены по данным, собранны системой ССС с других ГПА, установленных в данном цехе, при этом по косвенным признаком технические состояния каждого из них оценивались как примерно одинаковые;

3) результатами наблюдений за состоянием ГПА в течение 2005 г., свидетельствующими о том, что выданный прогноз о безаварийной работе в рассматриваемый период в полной мере подтвердился.

6. Предложена методикадля оценки изменения текущего состояния ГПА и выдачи прогноза о дальнейшем периоде безаварийной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проанализирована структура информации, собираемой различными информационно-управляющими системами уровня компрессорного цеха, результаты которого показали, что система антипомпажного регулирования ССС, помимо решения прямой задачи, предоставляет информацию о мгновенных значениях технологических параметров, характеризующих режимы работы ГПА, которые можно использовать для оценки текущего технического состояния ГПА.

2. Подробно рассмотрены различные постановки задач технической диагностики ГПА, и выявлены её характерные особенности и сделан вывод о том, что наиболее перспективной является параметрическая диагностика, которая даёт возможность оценивать техническое состояние агрегата непосредственно во время работы и давать прогноз на период его безаварийной работы.

3. Проведен анализ структуры имеющихся в наличии данных, сбор и архивирование которых осуществлен системой антипомпажного регулирования ССС в период с 25 мая по 11 июня 2004 г. и со 2 ноября 2004 г. по 10 января 2005 гг., соответственно, показавший, что:

— число измеряемых термогазодинамических параметров по каждому ГПА оказывается достаточным для проведения параметрической диагностики;

— длительности периодов наблюдения за работой ГПА достаточны для того чтобы обнаружить изменения технического состояния ГПА;

— общее количество измерений в каждый из рассматриваемых периодов обеспечивает статистическую значимость получаемых результатов.

4. Подробно рассмотрена методика оценки технического состояния ГПА с помощью коэффициента технического состояния по мощности, вычисляемого в предположении, что эффективная мощность агрегата является функцией, зависящей только от одной переменной — избыточного давления за осевым компрессором ра, и по экспериментальным результатам получена оценка адекватности данной методики. Оказалось, что коэффициент технического состояния по мощности, вопреки устоявшимся представлениям, является не монотонно убывающей функцией времени, но некоторой комбинацией более сложных зависимостей. Уставлена высокая корреляция значений коэффициента технического состояния по мощности и температуры атмосферы.

5. Для временных рядов [Гд]. и |~JChe установлено, что они имеют законы распределения, отличные от нормального, поэтому для их описания не может быть использована модель марковского процесса. Для временных рядов [ДГД, содержащих соответствующие значения разностей последовательных членов временных рядов .> [Тв, показано, что они имеют нормальный закон распределения, что позволяет использовать модель обобщенного броуновского движения и, соответственно, методы анализа фрактальных временных рядов. Это позволило выделить информационную составляющую-фрактальную размерность суточной фазовой троектории. контролируя которую можно определять факт возникновения аномального режима работы ГПА, а также изменения его технического состояния.

6. Предложена методика оценки изменения текущего состояния ГПА и выдачи прогноза о дальнейшем периоде безаварийной работы, подтверждаемая.

1) сравнением длительностей прогнозируемого периода безаварийной работы ГПА с соответствующими значениями, известными из многолетнего опыта эксплуатации ГПА;

2) результатами вычисления параметров линейных функций, аппроксимирующих зависимости фрактальных размерностей от времени, которые были получены по данным, собранны системой ССС с других ГПА.

Результаты наблюдений за состоянием ГПА в течение 2005 г., полностью подтвердили выданный прогноз о безаварийной работе в рассматриваемый период.