Автоматизированная система управления технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизированная система управления технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки

Необходимость разработки автоматизированной системы управления технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки обусловлена интенсификацией использования современных информационных технологий в промышленности. Достижение конкурентного преимущества в условиях современного динамического рынка становится невозможным без обеспечения максимально возможной информационной прозрачности деятельности и принятия оптимальных оперативных и долгосрочных управленческих решений.

Несмотря на существенное продвижение в области создания высокотехнологичных программных и аппаратных средств (систем хранения больших массивов технологических данных, средств отображения технологической информации, картографических систем, систем мониторинга производственной ситуации и на их основе - поддержки принятия решений), для формирования единой структуры автоматизированного управления технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки необходимо преодолеть ряд трудностей, в частности, таких как обеспечение корректного обмена данными между разнородными приложениями, т.е. создание единого информационного пространства для надежного управления подсистемами.

Существенную проблему представляет также доминирование скорости развития информационных технологий над темпом внедрения и обновления оборудования для реализации информационно-управляющих систем на малых предприятиях (объектах хранения и реализации продуктов нефтеперерабатывающей промышленности). Преодоление этих трудностей ведется по трем основным направлениям: стандартизация программно-технических решений и форм представления информации, использование связующего программного обеспечения, внедрение глобальных серверов в информационных узлах концентрации данных (ИУК).

Единая информационная корпоративная среда для предприятий, выполняющих операции с нефтепродуктами, не только обеспечит мониторинг всей производственной панорамы на базе, в том числе и картографической информации, но и позволит преодолеть непродуктивность разделения тактических и стратегических задач управления технологическими объектами.

Идентификация аварийных, а при увеличении потоков данных - предаварийных ситуаций с территориально рассредоточенных потенциально опасных объектов управления и использование полученных данных в реальном времени с целью управления либо предупреждения о предаварийных ситуациях достаточно актуальны.

Целью исследования, проводимого в диссертационной работе, является повышение оперативности принятия решений в сфере управления технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки.

Объектом исследования является комплекс средств автоматизации системы управления технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки, а предметом исследования является научно-методическое обеспечение обоснования его структуры и основных характеристик.

Для достижения поставленной цели в работе решается научная задача заключающаяся в обосновании структуры автоматизированной системы управления технологическими объектами, обеспечивающей при заданных затратах повышение оперативности принятия управленческих решений.

Решение научной задачи включает в себя следующие этапы:

1. Анализ состояния предметной области, включая:

· анализ учета, контроля и систем управления технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки, органами исполнительной власти и управления;

· анализ структуры информационных потоков и синтез информационной сети интегрированной системы обработки информации и управления.

2. Обоснование структуры и системотехнических решений по созданию автоматизированной интегрированной системы учета, контроля и управления технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки.

3. Разработка структуры информационного обеспечения автоматизированной системы управления технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки.

4. Разработка программного продукта автоматизированной системы управления технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки, включая интерактивную карту с целью определения рекомендаций сокращения времени по обработке, контролю и принятию решений по имеющейся информации.

Рамки исследования ограничены рассмотрением комплекса средств автоматизации из состава АСУ для предприятий территориально-распределенной системы управления технологическими объектами хранения и реализацией продукции нефтепереработки, в части вопросов технического, информационного и программного обеспечения.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1 В создании новой методики обоснования структуры АСУ технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки.

2. В усовершенствовании способа отображения характеристик функциональных задач и соответствующих информационных процессов на переменные и параметры, характеризующие структуру комплекса средств автоматизации АСУ.

Обоснованность и достоверность научных положений диссертации подтверждается:

· корректным использованием методов системного анализа, исследования операций, экспертных оценок и математической статистики;

· достаточной полнотой факторов, учитываемых при распределении вопроса управления технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки;

· положительными результатами их практического использования в ряде организаций.

На защиту выносится:

1. Методический аппарат обоснования рациональной структуры автоматизированной системы управления технологическими объектами хранения и реализации продуктов нефтепереработки включающий:

· формирование зависимостей расчета времени решения функциональных задач (ФЗ);

· формирование зависимости стоимости программно-технических комплексов;

· методику отображения характеристик ФЗ и соответствующих информационных процессов на переменные и параметры, характеризующие структуру АСУ технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки.

2. Структура территориальной распределенной базы данных АСУ.

3. Архитектура и функциональная организация специального программного обеспечения автоматизированной системы управления технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки с использованием геоинформационных технологий.

Практическая значимость полученных результатов состоит в использовании разработанного методического аппарата в рамках технического, информационного и программного обеспечения АСУ технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы были использованы в ряде органов исполнительной власти (ОИВ) регионального уровня, что подтверждается актами внедрения в Тверской управляющей энергетической компании, Государственной экспертизе Тверской области, а также внедрением и обучением специалистов при практическом использовании АСУ технологическими объектами хранения и реализации продукции нефтепереработки в контрольно-аналитический комитет Тверской области.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах: 6-я Всероссийская научно-практическая конференция «Системы и средства автоматизации» (Томск, 2005), Межведомственная комиссия по проведению единой государственной политики по повышению качества и безопасности продукции нефтепереработки, услуг, предоставляемых участниками рынка нефтепродуктов, на территории Тверской области (Тверь, 2004-2007 гг.), 35-я военно-научная конференция ВА ВКО Твери (Тверь, 2006), 31-я военно-научная конференция НИИ-2 МО РФ (Тверь, 2006); Научные семинары кафедры ЭВМ ТГТУ.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 статей, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, выполненных автором лично и в соавторстве, которые отражают основное содержание диссертационной работы

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 71 наименование и приложений. Основная часть работы изложена на 146 страницах, содержит 37 иллюстраций и 6 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Сформулированы цель, основные задачи, методы проведения исследований, определены научная новизна и практическая ценность результатов работы, приведены сведения об их реализации и апробации, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проанализировано современное состояние информационных технологий (ИТ) технологических объектов (ТО) продукции нефтепереработки.

Показано, что общий годовой объем рынка автомобильного бензина в Тверской области можно оценить в размере 360 тыс.т. в год, объем рынка дизельного топлива - около 300 тыс.т. в год. Проведённый анализ структуры поставляемого автомобильного бензина в Тверскую область показал, что высокооктановый бензин занимает около 49% всего поставляемого автомобильного бензина. В то же время в соседних регионах высокооктановый бензин занимает от 66 до 80% в общем объеме поставляемого бензина. Следовательно, значительная часть продаваемых в регионе нефтепродуктов (от 17 до 31%, в абсолютных цифрах от 60 тыс.т. до 110 тыс.т.) является незаконно доведенной до высоких октановых чисел.

Только в ходе проверок за 2007 г. было выявлено 125 нарушений по соблюдению требований промышленной безопасности, организации производственного контроля, обеспечению технической безопасности, проведению ремонтных и газоопасных работ, состоянию технической документации, готовности к локализации аварийных ситуаций и ликвидации последствий аварий.

Исполнительная власть не всегда эффективно справляется с управлением рынком хранения и реализации нефтепродуктов и контролем их хранения на промышленных предприятиях из-за потери времени на сбор, обработку и обобщение информации о текущей деятельности предприятий.

Современное состояние и тенденции развития ИТ характеризуются:

· наличием большого количества промышленно функционирующих баз данных (БД) большого объема, содержащих информацию практически по всем видам деятельности общества;

· созданием технологий, обеспечивающих интерактивный доступ массового пользователя к этим информационным ресурсам через системы связи и передачи данных, объединенных в национальные, региональные и глобальные информационные сети;

· расширением функциональных возможностей информационных систем, реализацией технологий создания и ведения гипертекстовых БД, включением в информационные системы экспертных систем, систем поддержки принятия решений и других технологических средств.

Проведенный краткий анализ существующих методологий обоснования структуры программно-технических средств систем управления показывает, что их применение для решения задач автоматизации процессов управления и обоснования структуры современных АСУ без дальнейшего усовершенствования практически невозможно. Это связано со сложностью задач, решаемых при автоматизации процессов управления, с увеличением числа информационных массивов, наличием большого количества сложно взаимодействующих технических и программных средств.

Рассматриваются основные характеристики АСУ и наборы параметров, влияющих на характеристики.

Производительность - характеристика вычислительной мощности комплекса, определяющая количество вычислительной работы, выполняемой комплексом за единицу времени, на которую существенно влияют следующие параметры:

· число и быстродействие устройств, емкость оперативной и внешней памяти, с увеличением которых производительность может возрастать, а также структура комплекса и пропускная способность связей между элементами комплекса;

· режим обработки задач, определяющий порядок распределения ресурсов комплекса между задачами, поступающими на обработку;

· рабочая нагрузка, в первую очередь объем вводимых, хранимых в памяти, выводимых данных и число процессорных операций, необходимых для решения задачи.

Надежность - свойство комплекса выполнять возложенные на него функции в заданных условиях функционирования с заданными показателями качества: достоверностью результатов, пропускной способностью, временем отклика и др.

Второй раздел посвящен методике обоснования структуры АСУ ТО хранения и реализации продукции нефтепереработки.

Формирование целевой функции и ограничений для решения задачи синтеза структуры АСУ включает:

· выбор и обоснование метода решения оптимизационной задачи;

· разработка общего алгоритма обоснования структуры и основных характеристик комплекса средств автоматизации (КСА).

В формирование зависимостей для расчета времени решения функциональных задач (ФЗ) управления входит:

· выбор доминирующего показателя оценки оперативности решения ФЗ;

· формирование выражений для расчета среднего времени решения доминирующей ФЗ на каждом уровне автоматизации;

· формирование выражения для расчета суммарного среднего времени решения доминирующих задач в АСУ.

Построение модели оценки стоимости программно-технических комплексов (ПТК) разделяется на:

· формирование зависимостей стоимости типовых серверных (ТСС) и рабочих станций (ТРС) как функции их основных параметров;

· разработку алгоритма решения задачи построения модели оценки стоимости ТСС и ТРС в условиях малых выборок экспериментальных данных.

Разработка метода отображения характеристик ФЗ и соответствующих информационных процессов (ИП) на переменные и параметры, характеризующие структуру КСА, включает:

· структуризацию задачи отображения характеристик ФЗ и соответствующих ИП на переменные и параметры;

· построение диаграммы Исикавы, характеризующей взаимосвязь факторов, определяющих структуру КСА, и информационных процессов;

· построение диаграммы сходства для систематизации факторов;

· построение диаграммы Парето для выбора наиболее приоритетных факторов.

Формирование целевой функции и ограничений для решения задачи синтеза структуры АСУ производится из условий, что КСА и его структура обладают адекватными возможностями, если обеспечиваются приемлемые временные показатели при решении ФЗ для заданных ИТ и стандартов и эти сервисы предоставляются в рамках стоимостных ограничений.

Разработка алгоритма решения задачи обоснования структуры и основных характеристик КСА включает в себя:

· разработку предложений по информационному обеспечению задач обоснования структуры и основных характеристик КСА;

· разработку общего алгоритма решения задачи, охватывающего все этапы обоснования структуры КСА.

Сущность данной задачи состоит в определении состава и основных характеристик ПТК, обеспечивающих максимальную оперативность решения ФЗ при заданной стоимости.

Формальная постановка задачи нахождения минимума функции Т(m) F(х) с ограничениями в виде равенств и неравенств х^* имеет вид: минимизировать Т(m), , при ограничениях С (m) ? С_зад,, где С_зад - заданные ограничения на расход ресурсов; Т(m) - оперативность решения учетно-регистрационных и информационно-аналитических задач со структурой m; m* - рациональная структура КСА подсистемы прикладного сервиса; где Е - множество уровней АСУ ТО хранения и реализации продукции нефтепереработки; N - множество типов элементов структуры КСА; А - множество возможных связей элементов структуры КСА.

Разработка методики обоснования структуры АСУ ТО хранения и реализации продукции нефтепереработки включает в себя следующие этапы:

1. Построение модели оценки стоимости ПТК.

Формирование зависимости ТСС и ТРС как функции их основных параметров.

Построение алгоритма решения задачи построения модели оценки стоимости ТСС и ТРС в условия малых выборок экспериментальных данных.

2. Формирование зависимостей для расчета времени решения ФЗ управления

3. Формирование целевой функции и ограничений синтеза структуры АСУ.

4. Выбор и обоснование метода решения оптимизационной задачи.

5. Разработка общего алгоритма решения задачи синтеза структуры АСУ.

Расчет стоимости ПТК записывается в следующем виде:

, где:

автоматизированный нефтепереработка технологический

серийная стоимость ТСС; - серийная стоимость ТРС; - затраты на приобретение периферийного оборудования; - затраты на оборудование локальной вычислительной сети (ЛВС) и другие неучтенные выше затраты; - количество ТСС в составе ПТК; - количество ТРС в составе ПТК.

Проведенный анализ особенностей рассматриваемой сферы и специфики решения подобных задач показывает, что оценка характера связи процессов с переменными и параметрами, характеризующими структуру КСА, реализуется в несколько этапов:

1-й этап - построение диаграммы Исикавы, характеризующей взаимосвязь факторов, определяющих структуру КСА, и информационных процессов (рис. 1);

2-й этап - конкретизация и ранжирование подпроцессов. Конкретизировать подпроцессы следует до тех пор, пока для каждого из них можно будет принять какое-то управляющее решение;

3-й этап - систематизация факторов. После построения диаграммы имеется структурированный список факторов, однако, его следует систематизировать, для чего необходимо:

• объединить схожие факторы;

• проверить, не скрываются ли под одним именем различные факторы.

4-й этап - построение диаграммы Парето, позволяющее осуществить выбор наиболее приоритетных факторов.

Анализ факторов диаграммы Парето позволяет оценить, насколько качественно проведен анализ КСА. Если соотношение Парето не выдерживается (20 % указанных факторов должно определять не менее 80 % всех проблем влияющих на реализацию информационных процессов), следует пересмотреть перечень подпроцессов и факторов, уточнить их ранги, объединить схожие факторы и т.д.

Чтобы проверить выполнение соотношения Парето, вычисляются суммарные ранги конкретных факторов.

Характерной особенностью семантической модели, представленной в виде диаграммы Исикавы, является ее незамкнутость и возможность расширения перечня ФЗ и соответствующих им информационных процессов и факторов как для обеспечения решения глобальной задачи (хребет диаграммы), так и для решения частных задач (скелетные образования диаграммы).

Результаты проведенного анализа отображения характеристик ФЗ и соответствующих информационных процессов, на переменные и параметры, характеризующих структуру КСА, с использование диаграммы Парето, показывают, что при синтезе структуры должны быть учтены следующие факторы (характеристики): объем носителя на жестких магнитных дисках, производительность центрального процессора ПТК, информационная безопасность (в части целостности и конфиденциальности информации).

Среднее время решения доминирующей ФЗ (регистрация):

где

среднее время автоматизированного решения доминирующей ФЗ на объекте ОИВ по регистрации; - среднее время неавтоматизированного решения доминирующей ФЗ; Х₀ = 1, если объект информатизации оснащен ПТК; Х₀ = 0, если объект информатизации не оснащен ПТК.

В состав задач ПТК, размещаемого на объектах ОИВ, входит обеспечение учета результатов деятельности, а также решение информационно-аналитических задач.

Среднее время решения доминирующей ФЗ на данном уровне информатизации можно записать следующим образом:

где - среднее время автоматизированного решения доминирующей ФЗ на объекте информатизации i-го ОИВ; - среднее время неавтоматизированного решения ФЗ на объекте информатизации i-го ОИВ; = 1, если объект информатизации i-го ОИВ оснащен ПТК; = 0, если объект информатизации i-го ОИВ не оснащен ПТК; - среднее количество транзакций, связанных с учетом для i-го ОИВ.

В состав задач ПТК, размещаемого на объектах организаций-исполнителей, входит обеспечение сбора информации путем подготовки на магнитных носителях в формализованном виде сведений о ТО хранения и реализации продукции нефтепереработки и передачи ее на вышестоящие уровни. Среднее время решения доминирующей ФЗ на данном уровне информатизации можно записать:

Рис. 1. Диаграмма Исикавы, характеризующая взаимосвязь функциональных задач и соответствующих информационных процессов

где - среднее время автоматизированного решения доминирующей ФЗ на объекте информатизации i-го ОИВ; - среднее время неавтоматизированного решения ФЗ на объекте информатизации i-го ОИВ; = 1, если объект информатизации i-го органа исполнительной власти оснащен ПТК; = 0, если объект информатизации i-го ОИВ не оснащен ПТК; - среднее количество транзакций, связанных с подготовкой информации о ТО для i-го ОИВ.

Выражение для расчета суммарного среднего времени решения доминирующих задач на каждом уровне информатизации имеет вид:

где - приоритет задач, решаемых на j-м уровне информатизации.

В третьем разделе рассматривается синтез информационного и программного обеспечения АСУ.

Выполнение одного запроса к локальной БД вызывает необходимость пересылки объема данных, равного суммарному объему запроса, и ответа с запрашиваемыми данными, т.е. общий объем пересылаемых данных по сети равен (_i + _i). Общий объем пересылаемых по сети данных при запросе к файлу F_i, инициированным в узле K_j, равен (_ij + _ij), а с учетом матрицы размещения файлов РБД - (_ij + _ij)(1-x_ij).

Так как запросы к файлу F_i, инициированные в узле K_j, возникают с некоторой интенсивностью _ij, объем пересылаемых данных, порождаемый этой интенсивностью, равен _ij(_ij + _ij)(1-x_ij).

Общий объем данных, нуждающихся в пересылке по каналам связи в течение единицы времени, определяется формулой

,

суммарная интенсивность запросов в распределенной системе определяется формулой

исходя из (1) и (2) средний объем данных, необходимых для пересылки по линиям связи при выполнении запроса в системе, равен:

.

Однако существуют ограничения, которые необходимо учитывать:

· каждый файл распределенной системы может находиться только в одном из узлов сети, следовательно:

;

объем памяти для размещения файлов в узле ограничен значением b_j

.

Стоимость пересылки данных равна

,

а общая стоимость данных, которые следует переслать по линиям связи между узлами вследствие функционирования распределенной системы в течение единицы времени определяется формулой

.

Анализ применяемых СППР при решении проблем защиты потребителей нефтепродуктов и территории от грубых нарушений объектов хранения и реализации продукции нефтепереработки позволил свести их разнообразие к семи общим структурным схемам: ГИС и БД; ГИС, БД и моделирующая система; ГИС, БД и экспертная система; ГИС, экспертная система и система управления БД (СУБД); ГИС, БД, экспертная система и моделирующая система; ГИС, моделирующая система, СУБД и телекоммуникационная среда для доступа к распределенным ИЦ; ГИС, экспертная система, СУБД и телекоммуникационная среда для доступа к распределенной ИЦ.

На региональном уровне управления разработана универсальная структура СППР, поддерживающая все основные этапы принятия решений - от сбора и хранения исходной информации до представления обоснованного варианта возможного решения на основе геоинформационных технологий (рис. 2).

Набор функциональных компонент АСУ ТО хранения и реализации продукции нефтепереработки содержит эффективный и быстродействующий интерфейс, средства автоматизированного ввода данных, адаптированную для решения соответствующих задач СУБД, широкий набор средств анализа, а также средств генерации изображений, визуализации и вывода картографических документов.

Рис. 2. Состав и структура СППР

В четвертом разделе изложены вопросы практической реализации и внедрения АСУ ТО хранения и реализации продукции нефтепереработки.

Проведенный анализ реализации формирования управленческих решений показал, что до внедрения АСУ существовало три модели информационных потоков: с районных отделений ОИВ, с компаний владельцев объектов хранения и реализации нефтепродуктов и с органов, осуществляющих ведомственных контроль за пожароопасностью и качеством топлива (через аккредитованные лаборатории качества). В основном использовалась бумажная технология обмена информации, факсимильная связь, в раде случаев модемная передача информации.

АСУ предназначена для мониторинга статистической отчетности проверок АЗС и нефтебаз, результатов контроля качества нефтепродуктов за счет использования современных средств автоматизации и передовых ИТ.

В соответствии с разработанной концептуальной моделью системы и проведенной формализацией функционала АСУ в работе обеспечено решение следующих подзадач:

Ш Информация по технологическим объектам хранения и реализации продукции нефтепереработки;

Ш Интерактивные карты расположения технологических объектов хранения и реализации продукции нефтепереработки;

Ш Расположение пожароопасных объектов, осуществляющих хранение и реализацию нефтепродуктов на основных федеральных трассах, проходящих через регион;

Ш Мониторинг статистической отчетности проверок технологических объектов органами исполнительной власти региона;

Ш Система документооборота.

Разработанная первая очередь АСУ ТО хранения и реализации продукции нефтепереработки осуществляет сбор, обработку и хранение информации о ТО, учет пожароопасных объектов, формирование статистической отчетности и мониторинга деятельности 36 ОИВ региона.

Для совместной работы всех ОИВ, осуществляющих проверку и контроль объектов хранения и реализации нефтепродуктов, разработана схема их взаимодействия с центральным сервером хранения данных, поступающих от различных административных структур. Процесс поступления информации представлен на рис.3.



Рис. 3. Модель поступления информации в центральный информационный узел концентрации (ЦИУК)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ состояния предметной области включая:

· учет, контроль и систему управления ТО хранения и реализации продукции нефтепереработки органами исполнительной власти и управления;

· структуру информационных потоков и синтез информационной сети интегрированной системы обработки информации и управления.

2. Обоснована структура и системотехническое решение по созданию автоматизированной интегрированной системы учета, контроля и управления ТО хранения и реализации продукции нефтепереработки.

3. Разработана структура информационного обеспечения АСУ ТО хранения и реализации продукции нефтепереработки.

4. Разработан программный продукт АСУ ТО хранения и реализации продукции нефтепереработки, включая интерактивную карту региона, с целью определения рекомендаций сокращения времени по обработке, контролю и принятию решений по имеющейся информации.

Литература

автоматизированный нефтепереработка технологический

1.Волков, М.В. Анализ характеристик определяющих эффективность автоматизированных систем управления и методов их оценки / М.В. Волков, Р.Н. Филиппов // Вестник Воронежского государственного технического университета. -Воронеж, 2009, Т.5, №3, С.53-57.

2.Волков, М.В. Оценка информативности параметров распознаваемых объектов методом энтропии / М.В. Волков, Р.Н. Филиппов // Вестник Воронежского государственного технического университета.

3.Волков, М.В. Подход по совершенствованию геоинформационных технологий в системах поддержки принятия решений // Материалы 2-го ЦНИИ МО РФ. Сборник научн.-метод. материалов. (инв.19941 аб.3). - Тверь, 2008.

4.Волков, М.В. Моделирование параметрических систем управления в нестационарных режимах // Материалы 31-ой военно-научной конференции 2-го ЦНИИ МО РФ. -Тверь, 2006, ч.2.

5.Волков, М.В. Сущность проблемы обоснования общесистемных решений по созданию и развитию многоуровневых и иерархических автоматизированных систем управления реального времени / М.В. Волков, М.А. Алашеев // Теоретические вопросы вычислительной техники и программного обеспечения. Межвузовский сборник научных трудов. -М., 2006.

6.Волков, М.В. Синтез алгоритмов управления / М.В. Волков, М.А. Алашеев // Сборник статей 35-й военно-научной конференции ВА ВКО Твери -Тверь, 2006.

Размещено на Allbest.ru