CC BY
511
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ
УДК 519.715
Ю.Ф. Белов, В.А. Иващенко АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ И УЧЕТА НЕФТЕПРОДУКТОВ НА АВТОЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЯХ НА ОСНОВЕ SCADA-СИСТЕМЫ
Предложен подход к построению автоматизированной системы контроля и учета нефтепродуктов на автозаправочных станциях на основе SCADA TRACE MODE. Рассмотрены принципы построения, структура и состав аппаратно-программных средств, а также прикладного математического обеспечения системы.
Автоматизированная система контроля и учета, SCADA TRACE MODE, аппаратно-программные средства, математическое обеспечение.
Yu.F. Belov, V.A. Ivaschenko AUTOMATIC PERFORMANCE CONTROL AND ACCOUNT OF OIL PRODUCTS AT GASOLINE STATIONS ON THE BASIS OF SCADA-SYSTEM
The approach to construction of the automatic performance control and account system of oil products over gasoline stations on the basis of SCADA TRACE MODE is offered in the article. Principles of construction, structure and composition of hardware-software means and also applied software system are considered.
The automatic performance monitoring system of control and account,
SCADA TRACE MODE, hardware-software means, mathematical maintenance.
Введение
Качественное обслуживание потребителей на автозаправочных станциях (АЗС) невозможно без повышения эффективности их функционирования. Одним из путей решения этой задачи является автоматизация АЗС.
В настоящее время в инфраструктуре управления большинства АЗС отсутствуют средства автоматизированного управления их функционированием. Более того, часто подразделения предприятий нефтепродуктообеспечения (НПО), отвечающие за учет и распределение нефтепродуктов, вообще не имеют средств автоматизации.
Данная статья посвящена построению автоматизированной системы контроля и учета нефтепродуктов (АСКУ НП) на АЗС на основе современной отечественной SCADA TRACE MODE.
1. Эффективность внедрения автоматизированной системы контроля и учета нефтепродуктов
Проводимые с 1992 года экономические реформы в России обусловили существенные изменения структуры управления НПО. Организация общероссийского оптового и розничного рынков нефтепродуктов требует создания отраслевой иерархической АСКУ НП, интеграции ее с банковскими системами для контроля и ускорения платежей. В этих условиях существенно меняется вся структура коммерческого и технического учета нефтепродуктов, возникают новые точки учета на границах раздела между субъектами рынка, расширяются и усложняются функции контроля, учета, распределения нефтепродуктов и оптимизации функционирования АЗС.
Современные АЗС являются сложными системами, для которых характерны: специфичное топливораздаточное оборудование; высокая пожаро- и взрывоопасность; высокие требования к параметрам учета и отпуска нефтепродуктов.
Внедрение АСКУ НП на АЗС позволяет существенно повысить эффективность их функционирования за счет: автоматизации расчетов с потребителями нефтепродуктов; повышения достоверности и оперативности учета и отпуска нефтепродуктов; автоматизированного контроля технического состояния технологического оборудования (ТО) и оптимизации работы АЗС.
2. Структура аппаратно-программного комплекса АСКУ НП АЗС
на основе TRACE MODE
Сложность построения АСКУ НП определяется ее размерностью, которая достаточно высока (сотни операций на десятках единиц ТО). Для построения АСКУ НП формируется совокупность критериев, на базе которой разрабатываются соответствующий алгоритмический аппарат и эвристические алгоритмы расчета расписаний обслуживания автотранспортных средств (АТС). Данный расчет позволяет учесть взаимосвязь всех элементов системы, их техническое состояние и обеспечить выбор альтернативных технологических маршрутов обслуживания АТС и адаптивный режим управления материальными потоками АЗС. Вычислительное ядро системы дает возможность в полной мере задействовать мощность современных компьютеров (процессоров) для решения поставленной задачи.
Платформа TRACE MODE позволяет обеспечить последовательную разработку АСКУ НП, постепенно добавлять новые экономические и технические модули для получения оптимальной модели управления функционированием АЗС. Особенностями данной платформы являются: обеспечение интегрированной информационной среды
функционирования для промышленных контроллеров и ТО различных производителей; способность системы работать с различными типами реляционных баз данных (БД) и возможность построения SQL-запросов; создание программ на встроенных языках программирования и получение отчетов в требуемой форме.
SCADA TRACE MODE оснащена системой синхронизации сетевого времени, что позволяет однозначно привязывать события в распределенных системах, какой является АЗС, к временной шкале.
Структура аппаратно-программных средств АСКУ НП включает четыре горизонтальных уровня (рис. 1).
Уровень IV составляют различные измерительные устройства - счетчики и датчики, осуществляющие непосредственное измерение контролируемых величин. Как правило, это простейшие устройства, оборудованные счетно-импульсными цифровыми и аналоговыми
выходами. В отдельных случаях могут использоваться интеллектуальные микропроцессорные счетчики.
Измерительные устройства
Рис. 1. Структура аппаратно-программных средств АСКУ НП АЗС:
ИРПС - интерфейс радиальный последовательный; МРП-16 - мультиплексор
Уровень III образуют устройства сбора и передачи данных (УСПД). Это интеллектуальное оборудование, включающее микроконтроллеры со специальным программным обеспечением (ПО). УСПД предназначены для интегрированного сбора сигналов с большого количества измерительных устройств, проведения измерений и вычислений, передачи данных на верхний уровень.
На уровне II располагаются серверы опроса. Это компьютерные программноаппаратные комплексы, предназначенные для взаимодействия с УСПД. Именно на этом уровне решается задача взаимодействия системы с оборудованием различных производителей.
На уровне I размещаются автоматизированные рабочие места (АРМ) персонала
АЗС.
3. Структура программного обеспечения системы
Аппаратно-программный комплекс построен по архитектуре клиент-сервер и включает основные компоненты, к числу которых относятся (рис. 2):
- сервер приложений, представляющий собой специализированную серверную программу, обеспечивающую базовую функциональность комплекса;
- базы данных, содержащие служебные данные, необходимые для работы системы, а также информацию, получаемую в процессе ее функционирования;
- АРМ, соответствующие типовому распределению ролей по обеспечению функционирования АЗС;
- УСПД, предоставляющие данные по запросу и позволяющие управлять подключенными исполнительными механизмами;
- ОРС-сервер, обеспечивающий связь с УСПД.
АРМ
АРМ
▲
с
йаІаВаве йаІаВаве
АРМ
А
Т.
С" ^ С ^
йаІаВаве йаІаВаве
Сервер приложений
у
ОРС-сервер
▲
1Ш
ОРС-сервер ОРС-сервер
УСПД
[_о_о_а_сЛ
УСПД
[Го О О <я1 УСПД
|_с_с_с_о^
УСПД
ОРС-сервер ОРС-сервер
1
[Го О О <Я1 УСПД
Рис. 2. Структура программного обеспечения системы
Клиентские рабочие места и сервер БД соединены с центральным узлом (сервером) посредством локальной вычислительной сети (ЛВС) через протокол передачи данных TCP/IP. Для связи с УСПД используется интерфейс RS 485 (УСПД подключены к центральному компьютеру через СОМ-порт).
Сервер приложений является ядром системы, обеспечивающим взаимосвязь между всеми ее компонентами. Он хранит данные об АСКУ НП - так называемой схеме учета, которая включает информацию о структуре АЗС, измерительных устройствах, линиях связи, устройствах управления, видах топлива и др. На сервер приложений поступают данные измерений от ОРС-серверов, которые он отправляет в БД и на АРМ. Он также получает информацию от АРМ и передает данные на УСПД и в БД.
Сервер приложений разработан с использованием технологии СОМ, которая позволяет другим программам, поддерживающим этот стандарт, в частности, написанным на языках Visual Basic, Visual C++, получать информацию и непосредственно управлять сервером. В результате функциональность системы может быть расширена специалистами компьютерной службы предприятия.
В системе используется АРМ администратора, который обеспечивает:
- конфигурирование схемы учета;
- конфигурирование схемы расчетов;
- конфигурирование схемы управления;
- настройку источников данных (OPC серверов);
- настройку представления информации,
а также один или несколько АРМ оператора, позволяющих осуществлять:
- мониторинг состояния АЗС;
- диагностику топливораздаточного оборудования;
- формирование учетной документации;
- анализ и оценку качества (эффективности) режима работы АЗС.
Мониторинг состояния АЗС заключается в оценке состояния АЗС и контроле
событий, происходящих на них.
Диагностика топливораздаточного оборудования включает алгоритмы контроля технического состояния ТО АЗС, расчета расписаний обслуживания АТС, отражающих взаимодействие элементов АЗС и обеспечивающих выбор альтернативных маршрутов движения АТС.
Формирование учетной документации осуществляется корпоративным сервером документирования, получающим информацию с контроллеров. Обеспечивает генерирование документов различных форм по множеству шаблонов и сценариев.
Анализ и оценка качества (эффективности) режима работы АЗС позволяют принимать решения о необходимости оптимизации ее структуры и процесса функционирования. Оптимизация осуществляется по результатам моделирования процесса функционирования АЗС на ПЭВМ [1].
При этом в общем случае АЗС представляется как многоканальная система массового обслуживания (СМО) с отказами и неоднородным входным потоком заявок (АТС), ограниченной длиной очереди (ограниченным временем ожидания АТС в очереди). В качестве АТС выступают грузовые и легковые автомобили, автобусы и другие виды транспорта. Каналами обслуживания являются топливораздаточные колонки (ТРК). При этом ТРК необходимо различать по видам и сортам отпускаемого топлива, осуществляющим расщепление входного потока АТС на заправку. Время обслуживания (заправки) зависит от вида АТС (объема заправки).
При более точном описании в качестве отдельной компоненты канала можно выделить кассу или автоматические автозаправочные терминалы, где осуществляется оплата заправки (двухфазное обслуживание).
В отдельную группу следует отнести АЗС с универсальными ТРК, оснащенными несколькими пистолетами для заправки. При этом отсутствует различие между ТРК, и АТС может быть заправлено на любой из них.
Отказы в обслуживании АТС могут возникать как в результате выхода из строя ТРК, так и из-за сбоев в работе кассового оборудования и большой длины очереди на обслуживание. Последнее обусловлено тем, что не каждое АТС готово долго ожидать обслуживания. В случае отказа в обслуживании АТС покидает систему (является потерянным для АЗС).
Сложность структур современных АЗС, законов распределения случайных величин, характеризующих режимы их работы (законов распределения потоков АТС на входе системы и законов распределения времени обслуживания АТС), а также неоднородность входного потока АТС затрудняют применение для их моделирования классических методов теории массового обслуживания. Для сложных СМО аналитические модели удается получить только при принятии упрощающих допущений, ставящих под сомнение их адекватность. Поэтому используется имитационное моделирование.
В качестве критериев оценки эффективности функционирования АЗС выступают: пропускная способность АЗС, среднее количество АТС в очереди, среднее время занятости ТРК, среднее время ожидания АТС в очереди, среднее время обслуживания АТС по их видам, среднее время пребывания АТС на АЗС, вероятность отказа АТС в обслуживании, вероятность обслуживания АТС в заданные сроки, вероятность простоя каждого канала и АЗС в целом, среднее время простоя ТРК и др.
Для большей информативности результатов моделирования по вероятностным значениям критериев осуществляются построение экспериментальных законов распределения и их аппроксимация теоретическими законами, а также вычисление оценок статистических моментов - математического ожидания, дисперсии, асимметрии, эксцесса - и их доверительных интервалов.
Имитационное моделирование позволяет выявить скрытые резервы эффективности функционирования АЗС и определить пути ее совершенствования. Это осуществляется на основе многовариантного (при различном количестве ТРК, разной производительности ТРК, разном числе операторов, кассиров и др.) имитационного моделирования режима работы АЗС. В результате моделирования определяются зависимости между выбранными критериями оценки эффективности функционирования АЗС и параметрами системы. При противоречивости критериев формулируются условия разрешения конфликтов между ними.
В заключение определяются пути оптимизации функционирования, и если необходимо, структуры АЗС. Оптимизация в конечном итоге направлена на сокращение упущенной выгоды, обусловленной тем, что АТС заправляются на АЗС конкурентов.
Для построения алгоритмов, реализующих процесс функционирования АЗС, используется событийно-ориентированное имитационное моделирование.
4. Информационное обеспечение системы
Для построения информационного обеспечения АСКУ НП необходимо выделить подсистемы, с которыми будет осуществляться ее взаимодействие в процессе решения поставленной задачи. Такими подсистемами являются: измерительная подсистема, без которой нет смысла в построении АСКУ НП вообще, и подсистема связи с УСПД, позволяющая получать данные от измерительной подсистемы. Функциональная схема подсистемы сбора данных АСКУ НП, включающая эти подсистемы, приведена на рис. 3.
В качестве УСПД используется устройство ЭКОМ-3000, которое имеет РС-совместимую открытую архитектуру, выполненную в стандарте micro PC. Использование процессорных плат с мезонинной шиной РС-104 дает возможность расширения по линии вариативности соединений, возможности подключения внешних кабелей и высокоскоростных соединений, что позволяет эффективно использовать ресурсы УСПД.
Внешний интерфейс УСПД является совместимым с широко распространенным протоколом МоёЬш-ЯТи, что позволяет использовать его в одной сети с другими МоёЬш-контроллерами. Высокая надежность УСПД достигается использованием готовых модулей хорошо зарекомендовавших себя фирм, сертифицированных по международному стандарту качества ІБО 9001. УСПД в данном случае обеспечивает сбор информации с измерительных преобразователей, имеющих импульсный выход до 100 Гц.
Рис. з. Функциональная схема подсистемы сбора данных
Кроме того, обеспечиваются расчет, накопление и хранение в архивах данных интегральных (количество за период архивации) и средних (усреднение за период архивации) параметров, формирование различного типа архивов и их энергонезависимое хранение с привязкой к реальному времени, обмен информацией с компьютером оператора по RS-485.
В состав подсистемы связи с УСПД входят:
- OPC-сервер, в качестве которого выступает ПО, обеспечивающее преобразование данных, полученных от устройства сбора и первичной обработки данных, к виду, пригодному для дальнейшей обработки;
- технология связывания и внедрения объектов для промышленной автоматизации OPC-технология OLE.
В качестве сервера хранения данных выбран Sybase Adaptive Server Enterprise [2], представляющий собой специализированную систему управления БД (СУБД) для систем поддержки принятия решений, которая обеспечивает повышение производительности при обработке запросов в 10-100 раз по сравнению с традиционными реляционными СУБД и сжимает размер БД. Данная СУБД позволяет добиться высокой надежности хранения данных в сочетании с широкими возможностями организации доступа к ним.
Ключевыми технологиями в Sybase являются вертикальное хранение данных и использование технологии обработки запросов. Вертикальное хранение данных позволяет запросам использовать только необходимые поля или столбцы (наборы полей), значительно сокращая количество операций ввода/вывода при типичном пользовательском запросе.
в
Шагом вперед по сравнению с традиционными алгоритмами индексирования является технология индексирования Bit-Wise, которая позволяет представить все данные в виде особых бинарных структур, доступ к которым, а также операции группирования, суммирования и сравнения производятся с высокой скоростью.
Набор специализированных алгоритмов индексации позволяет оптимизировать производительность обработки запросов для различных типов данных любых объемов. В традиционной реляционной СУБД обработка запроса ограничена рамками одного индекса, после которого обычно следует частичное сканирование таблицы.
Сервер Sybase Adaptive Server Enterprise построен на базе открытой архитектуры Sybase Open Client/Open Server. Он является полностью совместимым с широким набором популярных продуктов для аналитических запросов, таких как Cognos Impromptu, Powerplay, Business Objects, Brio Query, и многих других инструментов через интерфейсы Sybase Open Client или ODBC.
В традиционной реляционной СУБД индексы и агрегаты в значительной степени увеличивают размер хранилища данных. Хранилища данных на 65-75% заполнены агрегированными значениями, индексами и другими дополнительными структурами, которые существенно увеличивают размер БД по сравнению с исходными данными. Так, например, система с 50 Гбайт исходных данных превратится в несколько витрин данных, каждая из которых с объемом в несколько сотен гигабайт, что повлечет за собой значительные дополнительные расходы и сложности в администрировании. Размер сжатой БД в Sybase будет занимать от 50 до 100% от размера «чистых» данных, что дает значительную экономию.
Заключение
Предложен подход к построению автоматизированной системы контроля и учета нефтепродуктов для АЗС на базе SCADA TRACE MODE. Рассмотрены структура и состав аппаратно-программных средств и прикладного математического обеспечения системы.
Данная система позволяет решать задачи:
- сбора данных с приборов учета нефтепродуктов;
- расчета параметров отпуска нефтепродуктов;
- автоматизации контроля плановых показателей и выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы;
- оценки качества (эффективности) функционирования АЗС;
- оптимизации структуры и процесса функционирования АЗС на основе результатов имитационного моделирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Безродный А. А. Моделирование функционирования автозаправочных станций с помощью SCADA-системы TRACE MODE / А.А. Безродный, Ю.Ф. Белов // Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении: материалы Междунар. конф. / под ред. чл.-корр. РАН А.Ф. Резчикова. Саратов: ИПТМУ РАН, 2006. С. 198-206.
2. Kirkwood J. Sybase Adaptive Server Enterprise / J. Kirkwood. М.: Kirkwood Associates, 2000. 200 с.
Белов Юрий Федорович - Belov Yuriy Fedorovich -
аспирант Института проблем точной механики Postgraduate Student of the Institute of и управления РАН, г. Саратов Precision Mechanics and Control of RSA,
Saratov
Иващенко Владимир Андреевич - Ivaschenko Vladimir Andreyevich -
доктор технических наук, Doctor of Technical Sciences,
ведущий научный сотрудник Leading Member of the Institute
Института проблем точной механики of Precision Mechanics and Control of RSA,
и управления РАН, г. Саратов Saratov
Статья поступила в редакцию 20.01.10, принята к опубликованию 30.06.10
