Повышение достоверности первичной информации в АСУТП: на примере процесса Клауса

Газодобывающая и перерабатывающая промышленность России играет важнейшую роль в экономическом развитии не только нашей страны, но и оказывает заметное влияние на ряд стран ближнего и дальнего зарубежья. Производство газа и продуктов на его основе — наиболее конкурентоспособная отрасль национальной экономики с позиций интеграции страны в систему мировых экономических связей. Основной задачей газоперерабатывающей промышленности является обеспечение потребностей в энергоносителях и в сырье остальных химических производств, в частности, сере, полученной из газа.

Сера, наряду с углем, нефтью, известняком и поваренной солью, является основным видом сырья химической промышленности. Получение и потребление серы насчитывает много веков, это один из старейших и неизменных по своей ценности химических продуктов. В зависимости от источников получения, а также способов переработки серу как сырьё получают либо в виде порошка жёлтого цвета с содержанием серы в 99,5% и выше, либо в виде химических соединений, в частности, серной кислоты. Основной выпуск серы (свыше 2/3) осуществляется в элементарной форме, причём ее доля в общем производстве растет.

Производство элементарной серы включает добычу самородной серы, а также извлечение серы, прежде всего, из газа, нефти и углей при их очистке. До начала 70-х гг. прошлого столетия рудниковый способ играл основную роль в получении элементарной серы, но в 90-е гг. добыча серы на рудниках резко сократилась, что было вызвано истощением самородных запасов, а также снижением эффективности добычи вследствие падения мировых цен. За последнее десятилетие объем выпуска рудниковой серы не превысил 6% от общего объема по сравнению с 23% конца прошлого века.

Получение серы из газа начало развиваться быстрыми темпами в период с 1960 по 1990 гг. прошлого века, причём в 90-е гг. рост был сравнительно высоким. Это вызвано, в первую очередь, увеличением потребления энергоресурсов в мире, что повлекло разработку новых месторождений газа, а также повышением сернистости сырья на ряде месторождений и увеличением степени извлечения серы. В общем выпуске серы в 2006 г. доля газовой серы составила 36% по сравнению с 24% в 1990 г., а нефтяной — соответственно, 26% против 16%.

Основным промышленным методом получения серы из природных газов является многостадийный процесс Клауса. На первой стадии — термическойчасть кислого газа сжигается в потоке воздуха, последующие стадии процесса — каталитические — протекают с использованием катализаторов. Однако, с точки зрения экологических требований, классический процесс Клауса не обеспечивает приемлемую степень очистки от сернистых соединений. С каждым годом требования в стандартах по защите окружающей среды в развитых странах, в том числе и в России, становятся все более строгими. Это стимулирует исследования, как в направлении повышения степени извлечения серы в процессе Клауса, так и в области разработки новых и усовершенствования существующих процессов доочистки отходящих газов ТП Клауса.

Технологический процесс Клауса характеризуется большим количеством контролируемых параметров, качество измерений которых часто не отвечает современным требованиям технологического регламента из-за возникновения погрешностей и ошибок. Это, в свою очередь, значительно снижает эффективность управления технологическим процессом, вследствие чего происходит снижение степени конверсии серы. В связи с этим для соблюдения регламентных качественных показателей процесса необходимо обеспечить высокую достоверности измерения первичной информации и в случае ее снижения восстановить результаты измерений до требуемых значений. Так, проектная степень конверсии серы установок АГПЗ составляет 96%, снижение достоверности измерений технологических параметров приводит к низкому качеству управления процессом с фактической степенью конверсии 90−96%. Такая степень извлечения серы приводит к увеличению ежегодных выбросов вредных веществ в атмосферу в 2−3 раза, что составляет несколько десятков тысяч тонн ежегодно. Таким образом, в настоящее время особенно актуальной задачей является получение достоверных измерений технологических параметров.

Разработка системы оценки и восстановления достоверности первичной информации является сложной задачей. В первую очередь, это связано с вопросами построения адекватной математической модели. Основной проблемой следует считать наличие большого количества информации о процессе, которую невозможно формализовать традиционными методами. Это относится не только к количественному описанию технологических параметров, но и качественному составу сырья, топливному газу, состоянию оборудования. Наличие количественной и качественной информации не позволяет традиционными путями устранить погрешность измерений и построить систему оценки и восстановления достоверности первичной информации технологического процесса Клауса.

Развитие теории нечетких множеств открыло пути формализации качественной информации, а также её использования в оценке и решении слабоформализованных задач, к которым относится задача повышения достоверности измерений. Такой подход позволяет работать с параметрами, значения которых не могут быть измерены обычными способамикачественными показателями процесса: нагар на трубах, цвет дыма, характер пламени. С использованием этого метода возможно построение системы оценки достоверности первичной информации, основанной на знаниях J11 IP, сформулированных в виде продукционной БЗ: «если температура велика и давление высоко или очень высоко, то расход средний». Следует отметить, что часть работ в этом направлении ведется с позиции полного перехода на качественное описание процесса получения серы, но это оправдано только в «случае отсутствия какой-либо количественной информации о процессе.

Однако количественная информация всегда присутствует, но она не позволяет построить адекватную математическую модель оценки и восстановления достоверности измерений. Наличие количественных экспериментальных данных позволяет при построении сложных многокритериальных зависимостей применять математический аппарат нейронных сетей. Преимущество этого подхода состоит в том, что нейронные сети позволяют выявлять с высокой точностью зависимости высоких порядков, где применение регрессионных методов малоэффективно. В связи с этим для обработки количественной информации логично будет использовать аппарат нейронных сетей, а для обработки качественных показателей — нечеткие множества. Отметим, что вопросы совместного использования количественной и качественной информации в задачах оценки достоверности в настоящее время проработаны не достаточно.

Процесс повышения достоверности состоит из двух этапов: оценки достоверности и восстановлении истинных значений. Тем самым, оценка и восстановление достоверности первичной информации с возможностью совместного использования количественного и качественного описания технологического процесса Клауса является актуальной научной и практической задачей.

Целью настоящей работы является увеличение эффективности управления технологическим процессом Клауса за счет повышения достоверности первичной информации.

С учетом вышесказанного, цель настоящей работы является актуальной.

Соответствующей указанной цели научной задачей является разработка метода оценки, и восстановления достоверности первичной информации в режиме реального времени с использованием количественных и качественных показателей ТП.

Для достижения доставленной цели сформулированы ц решены следующие задачи:

— осуществлена постановка задачи оценки и восстановления достоверности первичной информации в АСУТП,.

— разработана методика анализа информационной подсистемы АСУТП с целью выявления измерений с низкой достоверностью,.

— разработан метод оценки и восстановления достоверности первичной информации в АСУТП,.

— синтезирован алгоритм оценки и восстановления достоверности первичной информации в режиме реального времени,.

— создана система поддержки принятия решений для оценки и восстановления достоверности результатов измерения технологических параметров процесса Клауса,.

— показана эффективность алгоритмического обеспечения системы поддержки принятия решений процесса Клауса методом имитационного моделирования.

Методы исследования: Для решения поставленной задачи применялись методы математического моделирования, теория автоматического управления, методы искусственного интеллекта, математический аппарат нейронных сетей и нечетких множеств. Научная новизна работы состоит в следующем:

— предложена методика анализа информационной подсистемы АСУТП с целью выявления результатов измерений с низкой достоверностью,.

— разработан метод оценки и восстановления достоверности первичной информации, позволяющий устранить систематическую погрешность,.

— построена гибридная модель проверки достоверности технологических параметров процесса Клауса на Астраханском газоперерабатывающем заводе.

Практическая ценность работы:

— разработано программное обеспечение, реализующее алгоритмы оценки и восстановления первичной информации с использованием количественного и качественного описания технологического процесса в режиме реального времени, — реализована система поддержки принятия решений для оценки и восстановления достоверности первичной информации в АСУТП Клауса,.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: XVII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» — ММТТ-17 (Кострома, 2004) — XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» — ММТТ-18 (Казань, 2005) — Международных научно-технических конференциях «Интеллектуальные системы» (AIS'05) и «Интеллектуальные САПР» (CAD.

2005) (Таганрог, 2005) — XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-19» (Воронеж,.

2006) — Международных научно-технических конференциях «Интеллектуальные системы» (AIS'06) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2006) (Таганрог, 2006), а так же на конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ.

Публикации. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы изложены в 11 публикациях автора, в том числе 2 статьи в центральных научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 6 в трудах международных научных конференций, в 1 свидетельстве об официальной регистрации программы для ЭВМ. Без соавторства опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из ' введения, четырех глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 139 страницах, содержит 44 рисунка и 28 таблиц.

Список литературы

включает в себя 102 наименования. К работе приложено 8 приложений.

Во введении отображена актуальность работы, сформулирована цель, определена научная новизна и практическая ценность результатов данной работы, приведено краткое содержание работы.

Первая глава посвящена анализу достоверности, причинам и роли погрешности измерений и экспертных оценок первичной информации в АСУТП. Проведен обзор существующих методов оценки и восстановления достоверности первичной информации. Описаны и классифицированы типы погрешностей, возникающие при измерении технологических параметров. Приведены причины снижения достоверности экспертных оценок качественных показателей процесса. Описан технологический процесс получения серы на АГПЗ, проведен анализ существующей информационной подсистемы АСУТП Клауса. Определены источники и причины возникновения погрешностей измерений технологических параметров процесса Клауса. Показано влияние достоверности измерений первичной информации на качество управления процесса получения серы методом Клауса. Проанализирована и сформулирована задача повышения качественных показателей управления процессом Клауса АГПЗ за счет повышения достоверности измерений технологических параметров. Выявлена зависимость снижения степени конверсии серы от погрешностей измерения основных технологических параметров. Сформулирована в общем виде задача оценки и восстановления достоверности измерений технологических параметров информационной подсистемы АСУТП. Показано влияние систематической составляющей погрешности на эффективность управления технологическим процессом Клауса АГПЗ.

Вторая глава посвящена решению в общем виде задачи оценки и восстановления достоверности первичной количественной и качественной информации в АСУТП. Синтезирована методика анализа информационной подсистемы АСУТП с целью выявления источников информации с низкой достоверностью. Сформулированы требования к структуре функциональных групп, приведены рекомендации по формированию структуры функциональных групп. Разработан метод оценки и восстановления достоверности первичной информации в АСУТП с использованием количественного и качественного описания ТП. Обоснована целесообразность построения гибридной модели с совместным использованием, количественной и качественной первичной информации и разбиением на функциональные группы двух типов, построенных при помощи математического аппарат адаптивных нечетких нейронных сетей и с использованием систем на основе нечетких множеств. Синтезирована система поддержки принятия решений при оценке и восстановлении достоверности первичной информации в АСУТП. Разработан алгоритм системы поддержки принятия решений оценки и восстановления достоверности первичной информации в режиме реального времени.

Третья глава посвящена реализации системы поддержки принятия решений оценки и восстановления достоверности первичной информации на примере технологического процесса получения серы методом Клауса на АГПЗ. Осуществлен анализ информационной подсистемы процесса Клауса, выявлены количественные и качественные источники информации подверженные возникновению систематической погрешности, объяснены причины возникновения систематической погрешности и показано ее влияние на эффективность управления процессом. Приведена структура функциональных групп гибридной модели проверки достоверности технологических параметров процесса Клауса на АГПЗ. Показана эффективность алгоритмического обеспечения С111 IP оценки и восстановления достоверности первичной информации ТП процесса Клауса с помощью имитационного моделирования.

В четвертой главе описана программно-аппаратная реализация СППР оценки и восстановления достоверности первичной информации в АСУТП. Для реализации синтезированных алгоритмов оценки и восстановления достоверности первичной информации предложена двухуровневая структура СППР. На первом уровне (нижнем) функционирует существующая информационная подсистема автоматизированного управления технологическим процессом, использующая оборудование компании «Fisher and Rosemount». На втором уровне осуществляется надстройка СППР оценки и восстановления достоверности первичной информации, которая работает в режиме советчика оператора и базируется на разработанных алгоритмах. Связь нижнего и верхнего уровней осуществляется посредством сетевого шлюза, а для обработки данных применяется СУБД MS SQL 2000. Визуализация результатов оценки и восстановления достоверности первичной информации, а так же ввод качественных показателей технологического процесса производится через человеко-машинный интерфейс в разработанном программном обеспечении, функционирующем в реальном времени.

В базу знаний разработанного программного продукта загружены экспериментальные данные процесса получения серы методом Клауса, в программе определен список пользователей системы и выполняется процедура использования результатов оценки и восстановления достоверности первичных источников информации.

Предложены способы взаимодействия алгоритмов СППР и существующих SCADA-систем на примере Trace mode 6.0. Рассмотрена возможная техническая реализация СППР оценки и восстановления достоверности первичной информации в АСУТП.

Таким образом, в диссертационной работе решается важная научная и практическая задача автоматизации технологических процессов, а именнозадача повышения эффективности управления технологическими процессами за счет устранения систематической составляющей погрешности измерений количественной информации и повышения достоверности качественных экспертных оценок.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработана методика анализа информационной подсистемы АСУТП с низкой достоверностью результатов измерений.

2. Создан метод оценки и восстановления достоверности первичной информации в АСУТП.

3. Впервые синтезирована гибридная модель проверки достоверности технологических параметров, позволившая повысить достоверность измерений и оценки технологических параметров процесса Клауса Астраханского газоперерабатывающего завода.

4. Впервые построена СППР оценки и восстановления достоверности результатов измерений технологических параметров процесса Клауса, эффективно устраняющая систематическую погрешность от 2% и более.

5. Показана эффективность СППР и ее алгоритмического обеспечения оценки и восстановления достоверности первичной информации для решения задачи устранения систематической погрешности, получено повышение степени конверсии серы на 1,14%,.

6. Проверена адекватность гибридной модели оценки и восстановления достоверности первичной информации на примере основных технологических параметров,.

7. Разработано программное обеспечение и получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, г № 2 006 611 456 от 28.04.06 г.

8. Программный комплекс и результаты работы используются в учебном процессе Астраханского государственного технического университета.

Заключение

.

Создание в прошлом столетии аппарата нечетких множеств JL Заде и структуры адаптивных нечетких нейронных сетей позволило решать слабо формализованные задачи, например, задачу устранения систематической погрешности измерений технологических параметров. Как правило, применение классических подходов для решения этого типа задач не приводит к успеху. Дальнейшее развитие аппарата нечеткой логики позволило создавать интеллектуальные модели, которые в отличие от аналитических моделей эффективны для решения слабо формализованных задач. Отдельно, следует отметить, факт появления аппарата нейронных сетей. Использование в подобных задачах нейросетевых технологий дало возможность качественно распознавать трудноразличимые образы, классифицировать события в условиях действия помех и быстро обрабатывать большие объемы информации. Замечательным симбиозом нечеткой логики и нейронных сетей являются, так называемые адаптивные нечеткие нейронные сети в зарубежной литературе они известны под аббревиатурой ANFIS. Применение такой нейросетевой структуры в слабоформализованных задачах позволяет эффективно использовать преимущества и нечеткой логики и аппарата нейронных сетей. В работе разработана методика анализа информационной подсистемы с низкой достоверностью измерений и метод оценки и восстановления достоверности первичной информации в АСУТП. Разработанная методика может использоваться не только в качестве основы предлагаемого метода, но и на ее основе становится возможным осуществлять анализ влияния систематической погрешности на эффективность управления технологическим процессом. Создана и опробована СППР оценки и восстановлении достоверности ' первичной информации в АСУТП на установке получения серы по методу Клауса Астраханского ГПЗ. Метод обладает двумя ключевыми преимуществами. Первый, универсальность, т. е. он может применяться на всех химико-технологических процессах, которые обладают информационной избыточностью. Второй, не требует модернизации существующей информационной подсистемы АСУТП, а использует в качестве входных координат сигналы, получаемые от штатных приборов и датчиков. СППР может функционировать как и отдельно, так и в составе SCADA системы, например Trace Mode.