CC BY
20А.п. Веревкин, А.с. зеленов
ГОУ ВПО "Уфимский государственный нефтяной технический университет", г. Уфа
модернизация систем управления технологическими процессами на основе анализа показателей техникоэкономической эффективности
Обеспечение конкурентоспособности и экономической эффективности предприятий нефтегазовой отрасли предполагает решение ряда задач оперативного управления технологическими процессами (ТП) и производствами по показателям качества продуктов (ПК) и показателям технико-экономической эффективности (ПТЭЭ). Особенно это актуально для уже давно работающих производств.
Показатели экономической эффективности предприятия могут рассматриваться как композиционное отношение совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных характеристик производства, связанных с процессом получения конечного продукта. При этом композиционное отношение определяет функциональную зависимость ПТЭЭ от данной совокупности на всех этапах жизненного цикла автоматизированного технологического комплекса (АТК).
Жизненный цикл (ЖЦ) АТК [1] можно представить в виде сети Петри (рис. 1), где Р, - некоторая совокупность состояний АТК, Т, - процесс изменения состояний АТК (последовательность Р,).
Рис. 1. Модель жизненного цикла АТК
Р, - состояние разработки; Р2 - состояние строительства; Р3 - исходное состояние (готовый к работе АТК); Р4
- нормальное состояние (штатный режим работы); Р5 - состояние, соответствующее ремонту; Р6 - предаварий-ное состояние; Р7 - аварийное состояние; Р8 - состояние, соответствующие демонтажу, уничтожению; Р9 - состояние модернизации; Т - процесс строительства, усовершенствования; Т2 -процесс выявления и исправления ошибок; Т3 - процесс завершения строительства, проверки оборудования АТК, подготовка к пуску; Т4 - процесс пуска и вывод в оптимальный режим функционирования; Т5 - процесс планового останова; Т6 - процесс подготовки к пуску; Т7 - процесс вы-
хода из оптимального и нормального режима работы; Т8 - процесс корректировки режимов работы; Т9 - процесс развития аварийной ситуации; Т10 -процесс аварийного останова АТК; Т11
- процесс разрушения АТК вследствие аварийной ситуации; Т12 - процесс планового демонтажа; Т13 , Т15 , Т16 , Т17
- процесс принятия решения о необходимости модернизации производства; Т14 - процесс завершения модернизации.
Можно выделить два основных этапа жизненного цикла АТК. Первый (проектирование, строительство и демонтаж АТК - (Р1 , Р2 , Р8 ) связан со значительными капиталовложениями и является затратной частью проекта при создании предприятия. Второй
на правах рекламы
Sk
Учет ограниченийдопустимых значенийи S? взаимосвязипеременных ПК и ПТЭЭ
Задача оптимизации
k
S23 s4 Si s4 S S4
о о s4 Si s4 si s4 Si
ok S4 si Si s4 si S4 S
k = і,5, j = 1,4 s2 S12 si si S1 s4
з4 = --62i 10 9 7 4 6 12
I II III IV V VI
J opt
S2 Si Si
Затраты в усл. ед. на производство одной тонны продукции
Рис. 3. Пример оценки дополнительной прибыли
S
(эксплуатация (Р3 , Р4 , Р5 , Р6 , Р7 ), характеризуется получаемой прибылью и может обеспечить положительный экономический эффект проекта в целом. В рамках второго этапа можно выделить этап ЖЦ, связанный с задачей модернизации производства (на рис.1 позиция Р9 ), который занимает обособленное положение, т.к. не является
обязательным и нацелен на получение дополнительного экономического эффекта.
На первом этапе проводится анализ возможных затрат и доходов путем принятия и реализации концептуальных решений, связанных с выбором технологии производства и основного оборудования, разумного сочетания
гибкости производства с ограничениями по номенклатуре производимой продукции, предметной ориентации оборудования, выбора технологических режимов и т.д. Данному анализу посвящен ряд публикаций в литературе [2,3 и др.], в большей мере он характерен для вновь строящихся производств, что не является актуальным для
gPLISENS,
Производитель контрольно-измерительной аппаратуры ^ 129345, Москва, ул. Летчика Бабушкина, д. 39, кор. 3.
1 (495) 726-34-61, (495) 234-61-Ю, (495) 368-32-41 www.apEisens.ru Е-таМ: [email protected]
APC-2000AL
Гидростатические уровнемеры
интеллектуальный преобразователь давления с ци я и н д р ичес к и м ра з д е л ител е ^
выходной сигнал А...20,0,„20 и 0...5мА+ HART
^ f I г
| 1 I » Ж.Ж * 1
основная приведенная
погрешность ± 0,075%
Р1 V
1 ь 1
Искробезопасное исполнение
і
* \d
Преобразователи давлении 4 *
Завод изготовитель в Варшаве
Преобразователи разности давлений
Л* *
-у гг
, « ■
Рис. 2. Область состояний объекта управления
существующих и модернизируемых производств. Поэтому в данной статье такой анализ не затрагивается.
Этап модернизации актуален для уже работающих производств. На этом этапе необходимо решить две задачи:
1) оценить дополнительную прибыль, которую можно получить от модернизации;
2) оценить затраты, связанные с модернизацией.
Рассмотрим решение данных задач более подробно.
Для упрощения процедуры получения результатов по первой задаче представим процесс непрерывного производства его дискретной моделью. Дискретизация проводится по времени и по переменным ТП. Шаг дискретизации определяется инерционностью процесса и заданной точностью представления технологических параметров, ПК и ПТЭЭ. Второй этап ЖЦ - производство продукта заданного качества с заданной производительностью, упрощенно может быть представлен конечным числом N состояний производства Р, , задаваемых множеством его параметров М. С учетом степени дискретизации D параметров технологического процесса S (в частном случае аппарата, установки, узла, цеха и т.п.) для фиксированного момента времени:
р^нр,}, 1=^ _
Р. = ^}, ]=1,м, к=1,й (1)
Сложность управления определяется
числом возможных состояний объекта управления (принцип Эшби). Количество вариантов состояния объекта управления и соответствующих значений ПК и ПТЭЭ будет определяться через мощность множества Р.:
Р, =DM (2)
Расчеты показывают, что даже для относительно небольших объектов число состояний может исчисляться десятками, сотнями тысяч и более. К примеру, состояние большинства аппаратов, участвующих в технологическом процессе, задается 4-8 параметрами. При степени дискретизации, равной 10, количество возможных вариантов состояния аппарата составляет величину порядка 104-108. Значительно уменьшить количество вариантов состояния объекта управления (ОУ) можно путем учета ограничений, вытекающих из технологического регламента, учета ограничений накладываемых взаимосвязью параметров друг на друга, ограничений по ПК, которые обеспечиваются системой управления. То есть количество состояний АТК в принципе меньше количества возможных состояний ОУ. В результате получается соответственно множество Р,' допустимых состояний АТК, мощность которого на порядки меньше мощности множества возможных состояний Р, ОУ (рис. 2).
С учетом этого число состояний становится обозримым для моделирования АТК и выработки правил управления по ПТЭЭ. Подчеркнем, что в подавляющем большинстве
производств в настоящее время основной задачей СУ является поддержание ОУ в области его допустимых состояний Р,'. Оценить дополнительную прибыль от проведения модернизации можно путем сопоставления значений ПТЭЭ в оптимальном режиме с другими режимами из области допустимых состояний АТК. При этом возможны два варианта:
1) в области допустимых состояний ПТЭЭ изменяются незначительно. Модернизация нецелесообразна;
2) в области допустимых состояний ПТЭЭ изменяются значительно. Целесообразность модернизации может быть оценена при сопоставлении затрат на модернизацию и предполагаемой дополнительной прибыли.
В качестве примера рассмотрим емкость с мешалкой, которая характеризуется скоростью вращения Skl (рис. 3). В емкости смешиваются в результирующий поток Sk4 ведущий поток Sk2 и ведомый поток Skз. Для четырех упомянутых переменных примем степень дискретизации, аппроксимирующих непрерывный процесс, равной k=1,5. Тогда количество возможных вариантов состояний Р, будет определяться общим количеством вариантов сочетаний данных переменных, т.е. Р,=5.5.5.5=54=625.
Данное возможное количество состояний ОУ можно значительно уменьшить, если принять во внимание следующие ограничения (условно):
1) согласно технологическому регламенту ведущий поток может принимать следующие значения Sk2 k=1,5, однако рекомендуется придерживаться значений S32 и S42. В этом случае количество состояний сокращается до Р,=2.5.5.5=2.53=2 50;
2) ведомый поток зависит от ведущего с коэффициентом соотношения С, следовательно, из всех возможных состояний Sk2 он может принимать значения и S4з=C.S32 и S5з=C.S42. Таким образом, количество состояний сокращается до Р,=2.5.5=2.52=50;
3) результирующий поток зависит от исходных и может принимать значения S44=S4з+ S32 и S54=S5з+ S42 соответственно. Следовательно, количество состояний Рп=2.5=10;
4) качество перемешивания задается показателем качества Кп=Г(5^ , С);
5) из возможных значений скорости перемешивания Skl , к=1,5 Sll не обеспечивает необходимого качества перемешивания (ПК), а при скорости вращения S5l увеличивается расход электроэнергии (ПТЭЭ), возможными вариантами являются значения скорости 521, 53.!, S41. Таким образом, допустимое количество состояний ОУ исходя из ограничений на ТП, их взаимосвязь, ограничений на ПК сократится до Р',=2-3=б.
Для получения заданных ПК необходимо поддерживать объект управления в области его допустимых состояний. Например, при изменении расходов компонентов скорость мешалки будет определять качество перемешивания. Кроме того, необходимо сформулировать один или несколько технико-экономических критериев оптимальности 3.
Для приведенного примера критерий оптимальности 3 может быть сформулирован в виде затрат на электроэнергию при условии перемешивания про-
дуктов с заданным качеством.
Анализируя значения ПТЭЭ в допустимой области, можно оценить дополнительную прибыль в случае проведения модернизации. Для примера оптимальное значение ПТЭЭ, равно 4 условным единицам и соответствует состоянию IV. Остальным состояниям соответствуют значения критерия от б единиц (состояние V) до 12 (состояние VI). Таким образом, дополнительная прибыль будет составлять от 2 до 8 условных единиц. Для сложных ОУ решение данной задачи возможно только с применением математических моделей ОУ и АТК в целом [1,4]. Природа, структура и реализация моделей ОУ для целей оперативного управления по ПК и ПТЭЭ, а также способы сопряжения с СУ определяются задачами управления объектом, особенностями объекта и требованиями, предъявляемыми к данным моделям.
Для получения моделей АТК предлагается использовать следующие принципы, которые позволяют ограничить количество возможных вариантов моде-
лей и их использование.
Принцип оперативной измеряемости информации - модель должна опираться на оперативно измеряемую информацию о состоянии ТК.
Принцип полноты, достаточности и реализуемости - модель должна полно, с заданной точностью описывать достаточные для реализации поставленных задач характеристики ТК. Информация должна быть адекватной по точности оптимизационным задачам. Принцип оперативности управления -блок вычисления по модели должен отвечать условиям работы так называемых «жестких систем», т.е. время реакции модели ограниченно.
Принцип адаптации и прогнозирования - модель должна обладать механизмами адаптации к изменяющимся условиям функционирования, средствами самонастройки, диагностики и прогнозирования.
Наиболее перспективными классами моделей являются нейронные сети, генетические алгоритмы [5], которые об-
(4^ ВЭМ3-Спектр
ш
*
О . V 'Ш-
V - & *-
* к
Ч _г
Внедрение частотно-регулируемого привода на технологических объектах нефтедобывающих предприятий для СТАНЦИЙ УПРАВЛЕНИЯ плунжерных насосов АНТ в составе МКНС и СУ привода штанговых скважинных насосов
м ^ _•
г.Владшир, ул.Электрозаводская, д.5 http://www.v-s.ru [email protected] Телефон/факс [495] 984-67-37,
[4922] 230-684, 430-953
Вариант программно-технической(ПТС ) реализации заданных функций АСУТП
Вариант реализациисервисного обслуживанияи сопровождения
Стоимость программнотехнических средств
Рис. 4. Процесс оценки затрат на модернизацию
ладают важным качеством аппроксимации и адаптации, однако наблюдаются ограничения по их применению для достаточно больших объектов. Элементы нечеткой логики [5] позволяют добиться хороших результатов там, где исследуемый объект трудно поддается точной формализации. Хорошо зарекомендовали себя регрессионные и разностные уравнения [1]. Из числа проверенных методов для моделирования химикотехнологических процессов используются модели на основе материального и теплового балансов, равновесия химических реакций, гидродинамики. Часто модели представляются алгебраическими и дифференциальными уравнениями, хотя в данном широком классе конкретных реализаций значительно больше, чем упомянутых здесь.
С учетом дискретизации состояний весьма перспективным является использование принципов ситуационного моделирования [1].
Для решения второй задачи оценки затрат, связанных с модернизацией автоматизированных систем для целей оперативного управления по ПК и ПТЭЭ, предлагается выделить следующие виды показателей:
1) группа технических показателей, отражающая функциональные характе-
ристики СУ (возможность измерения, контроля, управления, обеспечения безопасности, показатели качества процессов управления и т.п.). Показатели могут быть получены с помощью оперативных измерений, лабораторных анализов [6], с помощью оценки по модели, т.н. "виртуальные анализаторы", расчетами, экспертным путем [1]. Заметим, что использование аналитических приборов в АСУТП затруднено сложностью самих приборов, их высокой стоимостью, трудностью в обслуживании и эксплуатации, плохими метрологическими характеристиками, достаточно узкой номенклатурой измеряемых показателей качества ТП [6]. Лабораторные исследования часто продолжительны и дорогостоящи. Основным же недостатком как аналитических приборов, так и результатов лабораторных анализов является ограниченность их применения в целях оперативного управления по ПК продуктов. Использование математических моделей ТК, позволяет вычислить неизме-ряемые ПК ТП, и часто является единственным способом получения информации о них;
2) группа потребительских показателей, оценивающих потребительскую эффек-
тивность СУ. Критерии этой группы, в первую очередь, оценивают показатели надежности систем, включая оценки безотказности, ремонтопригодности, возможность получения (доставки) ЗИП за приемлемое время, стоимость содержания ЗИП. К потребительским относятся также характеристики и показатели открытости, расширяемости и взаимозаменяемости программно-технических средств (ПТС), критерии, характеризующие требования к квалификации, составу и численности обслуживающего персонала, сложность процедур обслуживания, "раскручен-ность" бренда поставщика программнотехнических средств и т.д.
В целом процесс оценки затрат на модернизацию проводится на основе векторного критерия, элементы которого могут быть как четкими, так и нечеткими переменными, поскольку отдельные характеристики оцениваются субъективно и носят экспертный характер. Основными статьями при оценке затрат являются:
• стоимость программнотехнических средств,
• затраты на моделирование,
• затраты на монтаж и пуско-наладку систем управления,
• затраты на сопровождение и т.д.
Существуют методы и методики [7,8], позволяющие для отдельных технических и потребительских показателей получать численные оценки в экономических категориях, но в целом проблема принятия решений при выборе вариантов реализации проектов модернизации до конца не решена. Предлагается следующая процедура обоснования варианта конфигурации ПТС, позволяющая в конечном счете в стоимостном выражении оценить затраты на модернизацию АСУТП (рис. 4). Подчеркнем, что затраты учитывают стоимость реализации заданных функций оперативного управления, выполняемых с заданным качеством, стоимость ПТС и стоимость их поддержания в рабочем состоянии с заданным уровнем потребительской эффективности. Схема на рисунке 4 отражает тот факт, что конкретному варианту программнотехнической конфигурации АСУТП, обеспечивающей функционально необходимый набор характеристик, соответствует конкретный вариант сервисного обслуживания (сопровождения). По соответствующим каталогам и ценникам может быть рассчитана стоимость ПТС по конкретным вариантам. Объем сервисных процедур может быть оценен в стоимостных категориях либо на основе экспертных оценок, либо через разработку тарификаторов и ценников на возможные виды ремонтов и других услуг. Лицом, принимающим решение (ЛПР) по выбору варианта ПТС для реализации АСУТП, на основе потребительских критериев и с учетом стоимости ПТС, осуществляется процесс выбора комплекса «ПТС + сервис», при котором затраты на модернизацию будут минимальны. Неоднозначность выбора связана с тем, что один и тот же уровень потребительских критериев может быть достигнут либо очень надежными ПТС при минимальной стоимости сервиса, либо не слишком надежными ПТС, но с высоким уровнем сервиса.
Таким образом, общая методика анализа целесообразности модернизации АТК для целей оперативного управления по ПК и ПТЭЭ включает следующие этапы:
1. Оценка дополнительной прибыли в случае проведения модернизации:
1.1 формирование системных ограничений на технологические параметры и ПК (согласно технологическому регламенту);
1.2 моделирование процесса непрерывного производства дискретной моделью для целей определения состояний АТК, ПК и значений ПТЭЭ в этих состояниях;
1.3 оценка дополнительной прибыли от модернизации по величине изменения ПТЭЭ в области допустимых состояний;
2. Оценка затрат на проведение модернизации:
2.1 формирование групп технических и потребительских показателей;
2.2 выбор комплекса «ПТС + сервис» на основе оптимизационной процедуры с участием ЛПР;
2.3 оценка групп технических и потребительских показателей, в том числе стоимости ПТС и сопровождения, в экономических категориях.
3. Принятие решения о целесообразности модернизации АТК для целей управления по ПК и ПТЭЭ на основе сопоставления затрат на модернизацию и предполагаемой дополнительной прибыли; при этом выбранный вариант комплекса «ПТС + сервис» определяет конфигурацию и основные задачи при разработке АСУТП.
Выводы:
1) В статье поставлена задача формализации процедуры модернизации АТК предприятий нефтегазовой отрасли и намечены пути ее решения.
2) Предложено выделить модернизацию в отдельный этап жизненного цикла АТК, т.к. она не является обязательной и направлена на получение дополнительного экономического эффекта.
3) Предложена методика обоснования необходимости модернизации АТК на основе оценки потенциальной дополнительной прибыли и затрат на осуществление модернизации; рассмотрены принципы и методические аспекты, на базе которых возможна реализация методики в виде проекта.
Литература
1. Технология, экономика и автоматизация процессов переработки нефти и газа Учеб. пособие / С.А. Ахметова, М.Х Ишмияров, А.П. Веревкин, Е.С. Докучаев, Ю.М. Малышев; Под ред. С.А. Ахметова. - М.: Химия, 2005. - 763 с.
2. Курочкин А.К., Курочкин А.В., Гимаев Р.Н., Курочкина А.А. Малобюджетная модернизация действующих НПЗ на углубление переработки нефти. /Территория нефтегаз. М. 2007. № 2. С.40-43.
3. Курочкин А.К., Курочкин А.В., Наби-уллин Г.Н. Комплектуем среднетоннажный НПЗ. II. Выбор оптимального набора современных процессов нефтепереработки для НПЗ топливного профиля. /Территория Нефтегаз. М. 2007. №5. С.34-41.
4. Веревкин А.П., Ельцов И.Д., Зозуля Ю.И., Кирюшин О.В. Оперативное управление технологическими процессами подготовки нефти по технико-экономическим показателям. / Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. М.:ВНИИОЭНГ, 2006. №3. С. 48-53.
5. Рутковская Д., Пилиньский М., Рут-ковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы: Пер. с польск. И.Д. Рудинского.
- М.: Горячая линия - Телеком, 2006.
- 452 с.
6. Прохоров В.А. Основы автоматизации аналитического контроля химических производств. - М.: Химия, 1984.
- 320 с.
7. Методика определения экономической эффективности комплексной автоматизации производственных процессов нефтегазодобывающих предприятий. Министерство нефтяной промышленности, СПКБ «Союзнефтеавто-матика». М., 1974.
8. Буренин В.А., Веревкин А.П. Оценка уровня автоматизации объектов нефтегазодобычи. /Отчет по договору на разработку методики оценки уровня автоматизации. Уфимский государственный нефтяной технический университет. г. Уфа. 2005. - 82 с.
