|
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ „ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Борин Василь Степанович
УДК 658.012.011.56:622.691.5:621.51
АВТОМАТИЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ АБСОРБЦІЙНОЇ
ОСУШКИ ГАЗУ НА БАЗІ НЕЧІТКОЇ ЛОГІКИ
Спеціальність 05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів
АВТОРЕФЕРАТ
ДИСЕРТАЦІЇ НА ЗДОБУТТЯ НАУКОВОГО СТУПЕНЯ
КАНДИДАТА ТЕХНІЧНИХ НАУК
Львів – 2004
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,
Семенцов Георгій Никифорович,
Івано-Франківський національний технічний
університет нафти і газу,
завідувач кафедри автоматизації технологічних
процесів і моніторингу в екології
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,
Стоцько Зіновій Антонович,
національний університет “Львівська політехніка”,
завідувач кафедри
доктор технічних наук, професор,
Гінзбург Михайло Давидович,
НДПІ АСУ “Трансгаз” НАК “Нафтогаз України”,
завідувач відділом
Провідна установа: Одеський національний політехнічний університет, Міністерство
освіти і науки України, м. Одеса
Захист відбудеться 28 січня 2005 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради
Д 35.052.04 при національному університеті „Львівська політехніка” за адресою:
79013, м.Львів, вул. Бандери,12
З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці національного університету „Львівська політехніка” (79013, м.Львів-13, вул. Професорська,1)
Автореферат розісланий „24” грудня 2004 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук, доцент Вашкурак Ю.З.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Україна має потужну систему експортних газопроводів, через яку тепер здійснюється транзит газу з Росії до країн Центральної та Західної Європи. Для збереження надійної роботи та конкурентноздатності газотранспортної системи впроваджується програма реконструкції компресорних станцій та лінійної частини, будуються нові газопроводи. Особлива увага приділяється осушці газу, оскільки відхилення вологості газу від норми веде до штрафних санкцій по відношенню до України. Осушка газу на компресорних станціях магістральних газопроводів є одним з основних технологічних процесів. Вона є достатньо складним неперервним технологічним процесом, який функціонує в умовах невизначеності.
Автоматизація процесів прийняття рішень та автоматичне управління такими складними багатозв’язаними об’єктами в умовах невизначеності пов’язана з відсутністю достатньо повних апріорних даних, а також з необхідністю застосування методів і засобів керування, які знижують ступінь невизначеності вхідної інформації. Рівень невизначеності визначається інтенсивністю нестаціонарних збурювальних впливів, точні кількісні характеристики яких важко, а інколи неможливо вимірювати в реальному часі, від складності математичної формалізації процесу абсорбційної осушки газу, від впливу людського фактора та суб’єктивності будь-яких оцінок і рішень людини-оператора при управлінні процесом осушки газу в інтерактивному режимі.
Існуюча система керування не дозволяє враховувати неповноту інформації, а також лінгвістичну невизначеність керуючих рішень, які приймаються оперативно-диспетчерським персоналом. Таким чином виникає необхідність в розробці і представленні в розпорядження диспетчера засобів аналізу ситуації з метою прийняття керуючих рішень. Динаміка і невизначеність технологічного процесу абсорбційної осушки газу роблять задачу керування досить складною. Бажану якість газу можна отримати тільки при повному інформаційному забезпеченні і оптимальному керуванні технологічним процесом.
З врахуванням цих особливостей процесу абсорбційної осушки газу випливає необхідність у побудові високоефективної системи автоматизованого управління і системи підтримки прийняття рішень з урахуванням умов невизначеності. Одним з можливих шляхів вирішення цієї задачі є застосування теорії нечітких множин, запропонованої професором Л.А.Заде, для синтезу структури системи і алгоритмів її функціонування.
Зусиллями українських та іноземних вчених Є.В.Бодянського, Ю.П.Кондратенка,А.П.Ладанюка, А.О.Лозинського, О.А.Лаврова, Н.Д.Панкратової, В.В. Різника, О.П.Ротштейна, Г.Н.Семенцова, Л.С.Ямпольського, R.Aliev, R.Hampel, E.H.Mamdani, D.Ruan, M.Sugeno, R.Takahashi, M.Wagenknecht, L.A.Zageh та ін. вже розв’язано багато задач, пов’язаних з теоретичним обгрунтуванням застосування нечіткої логіки для задач контролю і управління, в тому числі і для об’єктів нафтової і газової промисловості. Разом з тим, ще недостатньо розроблені методи і засоби автоматизації з обробкою нечіткої інформації в системі абсорбційної осушки газу, що функціонує в реальному часі.
Подальшого розвитку й удосконалення вимагають також алгоритми для пристроїв обробки нечіткої інформації, з метою підвищення їх точності та швидкодії для забезпечення можливостей реалізації управління і прийняття рішень в реальному часі. Отже, розробка системи автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки газу на базі нечіткої логіки є актуальною задачею, розв’язок якої дозволить підвищити ефективність цього процесу.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок досліджень є складовою частиною тематичного плану Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу(ІФНТУНГ) і базується на результатах держбюджетної науково-дослідної теми Д-29/1 “Розробка методів синтезу нечітких інтелектуальних систем керування процесами осушки газів”, (№ держ. реєстр. в УкрНДІНТІ 0195U026326) та “Аналіз і синтез автоматизованих систем керування процесом буріння, видобування, транспортування і зберігання нафти і газу” (затверджена Науковою Радою ІФНТУНГ 24.09 2001 року, протокол № 5), які входять до координаційного плану „Наукові основи розробки нових технологій видобутку нафти і газу, газопромислового обладнання, поглибленої переробки нафти і газу з метою отримання високоякісних моторних палив, мастильних матеріалів, допоміжних продуктів і нафтохімічної сировини”. Вказаний план входить у національну програму “Нафта і газ України до 2010 року”. Роль автора у виконанні цих науково-дослідних робіт, як виконавця, полягає в уточненні, удосконаленні та розробці методичних підходів, моделей, структур щодо автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки природного газу на базі методів нечіткої логіки.
Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення ефективності управління технологічним процесом абсорбційної осушки газу на компресорних станціях магістральних газопроводів на основі розробки системи підтримки прийняття раціональних рішень з врахуванням зовнішніх збурень, невизначеності та обмежень на параметри об’єкта управління.
Досягнення вказаної мети вимагає вирішення таких логічно - пов’язаних задач:
1. Проаналізувати існуючі методи і засоби автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки газу та проаналізувати відомі теоретичні підходи, що покладені в основу їх побудови.
2. Створити теоретичні засади автоматизованого керування процесом абсорбційної осушки природного газу на компресорній станції магістрального газопроводу, які дозволяють теоретично обгрунтувати можливість удосконалення існуючої системи управління технологічним процесом абсорбційної осушки природного газу.
3. Здійснити моделювання невизначеності знань експертів-технологів про керування процесом абсорбційної осушки газу шляхом використання різних термів лінгвістичних змінних і удосконалити існуючу модель на основі набору логічних правил-продукцій.
4. Розвинути спосіб структурування знань, який враховує специфіку компресорних станцій магістрального газопроводу і дозволяє оперативно вибирати необхідну для рішення поточної задачі локальну базу знань.
5. Удосконалити відому та розробити нову функціональну структуру системи автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки природного газу.
6. Для управління технологічним процесом абсорбційної осушки природного газу синтезувати нечіткий регулятор, який забезпечить ефективне управління в широкому діапазоні зміни вологості природного газу на вході компресорної станції магістральних газопроводів.
Об’єктом дослідження є система автоматизованого управління установкою абсорбційної осушки природного газу(УАОПГ) на компресорних станціях магістральних газопроводів, що функціонує в умовах невизначеності та обмежень на параметри технологічного об’єкта управління.
Предметом дослідження є структура, програмно-технічні засоби, інформаційне та алгоритмічно-програмне забезпечення системи підтримки прийняття раціональних рішень для автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки природного газу на компресорних станціях магістральних газопроводів.
Методи дослідження. Аналіз основних режимів функціонування УАОПГ та дослідження взаємозв’язків параметрів і показників процесу осушки газу грунтуються на промислових експериментах та застосуванні методів теорії систем і системного аналізу; при розробці математичних моделей об’єкта управління застосовано методи математичного аналізу, експертних оцінок, теорії нечітких множин і нечіткої логіки; алгоритми та програмне забезпечення для корекції керуючих сигналів на виконавчому рівні системи підтримки прийняття рішень розроблені на основі теорії ідентифікації динамічних систем; розробка технічних засобів здійснювалась з використанням методів схемо- і системотехніки; імітацію подальшої поведінки системи підтримки прийняття рішень проведено з використанням програмного пакету TRACE MODE.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
Вперше:
- створено теоретичні засади автоматизованого управління процесом абсорбційної осушки природного газу на компресорній станції магістрального газопроводу, які включають детерміновану математичну модель керованого об’єкта, яка не враховує збурення по вмісту вологи в газі на вході в абсорбер, і логіко-лінгвістичні моделі, що побудовані на нечітких правилах-продукціях, що дало змогу врахувати дане збурення;
- доведена адекватність даних моделей і необхідність використання їх для автоматизованого керування процесом абсорбційної осушки газу замість складних нелінійних моделей;
- здійснено моделювання знань експертів-технологів про процес осушки газу шляхом використання лінгвістичних змінних, що дозволило на основі технологічного регламенту і отриманих від експертів-технологів знань розробити логіко-лінгвістичну модель прийняття раціональних рішень для управління установкою абсорбційної осушки газу на основі набору логічних правил-продукцій;
- розроблена логіко-лінгвістична модель метазнань, яка додатково враховує всі технологічні параметри установки абсорбційної осушки природного газу і забезпечує оперативно-диспетчерському персоналу при наявності інформації про передаварійні ситуації можливість вибирати необхідну для рішення поточної проблеми локальну модель представлення знань і дозволяє розв’язувати основні виробничі задачі, які впливають на ефективність процесу осушки газу.
Отримав подальшого розвитку принцип структурування знань, який здійснено розбиттям глобальної бази знань на декілька локальних, кожна з яких орієнтована на вирішення певної задачі для конкретного типу обладнання установки абсорбційної осушки газу, зокрема в структуру глобальної бази знань включено блок метазнань, який забезпечує можливість оперативно вибирати необхідну для рішення поточної задачі локальну базу знань.
Удосконалено функціональну структуру системи автоматизації процесу абсорбційної осушки газу, яка, на відміну від структури оперативно-диспетчерського управління діючої установки, містить базу знань, блок нечіткого логічного висновку, діалоговий інтерфейс користувача, архів даних і підсистему отримання знань, що здатні формувати керуючі та інформаційні сигнали, які задані базами правил-продукцій.
Практичне значення одержаних результатів.
1. На основі синтезованих схемотехнічних рішень та структур цифрових пристроїв на нечіткій логіці і нечітких контролерів, розроблена система автоматизованого управлінння і система підтримання прийняття рішень для розв’язання задач управління процесом абсорбційної осушки газу в умовах невизначеності. Для управління процесом синтезовано нечіткий контролер на базі SCADA-системи TRACE MODE, що забезпечує ефективне управління процесом абсорбційної осушки газу в широкому діапазоні зміни вологості природного газу на вході компресорної станції.
2. Розроблено демонстраційний прототип системи автоматизації процесу абсорбційної осушки газу, який випробувано на установці підготовки природного газу Долинської компресорної станції УМГ “Прикарпаттрансгаз” та Більче-Волицької дожимної компресорної станції Стрийського відділення управління підземного зберігання газу УМГ “Львівтрансгаз”. Отриманий економічний ефект від використання системи автоматизації складає 188 тис. грн. в цінах 2003 року (Акт від 29 березня 2004 року).
3. Результати досліджень впроваджені в навчальному процесі в дисциплінах: „Автоматизація неперервних технологічних процесів”, „Мікропроцесорні та програмні засоби автоматизації”, ”Програмне забезпечення комп’ютерно-інтегрованих технологій”, ”Цифрові системи автоматизації”, ”Автоматизація технологічних процесів нафтової і газової промисловості”, курсових і дипломних проектів студентами спеціальності 7.092501-“Автоматизоване управління технологічними процесами” в ІФДТУНГ (Акти від 03 червня 1998 року та 22 червня 2000 року).
4. Розроблені рекомендації для виробничників по використанню розробленої автоматизованої системи управління керування процесом абсорбційної осушки газу, які прийнятті для впровадження на Долинській компресорній станції УМГ “Прикарпаттрансгаз”.
Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати та положення дисертаційної роботи одержані автором самостійно. В роботі [1] автор розробив правила для створення нечіткого регулятора на основі лінгвістичних формулювань експертів, у роботі [7] розробив логіко-лінгвістичну модель прийняття рішень на абсорбційній установці.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на 3-й Українській конференціі з автоматичного керування „Автоматика-96” (м.Севастополь, 1996); міжнародній науково-технічній конференції присвяченій 50-річчю Уфимського газо-нафтотехнічного університету „Проблемы нефтегазового комплекса России” (м.Уфа, 1998); 6-й міжнародній конференції „Нафта і газ України” (м.Івано- Франківськ, 2000); 7-ї міжнародної конференції „Нафта і газ України” (м.Київ, 2002); 2-й міжнародної науково-практичної конференції “Динаміка наукових досліджень’2003” (м.Дніпропетровськ, 2003); 7-й міжнародній науково-практичній конференції “Наука і освіта’2004” (м.Дніпропетровськ, 2004); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ІФНТУНГ (м.Івано-Франківськ, 1997, 1998); науковому семінарі кафедри автоматизації технологічних пресів та моніторингу в екології національного технічного університету нафти і газу (протокол № 1 від 15 липня 2004 року).
Публікації. Основні результати дисертації - 8 статей (6 статей одноосібних), які опубліковані у фахових виданнях, тез 8 доповідей на наукових Всеукраїнських та міжнародних конференціях.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літератури та додатків. Робота виконана на 142 сторінках машинописного тексту, містить 31 рисунок, 12 таблиць, 4 додатки та список використаних джерел з 103 найменувань. Загальний об’єм дисертації 145 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі розкрита сутність і стан наукової задачі та її значущість, підстави і вихідні дані для розробки теми, необхідності проведення досліджень, обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, викладено зв’язок вибраного напрямку досліджень з науковими програмами, планами, темами, сформульована мета і задачі досліджень, подані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, визначений особистий внесок здобувача і дана інформація про апробацію результатів дисертації.
У першому розділі досліджено сучасний стан проблеми автоматизації УАОПГ, приведено короткий опис установки, характерні технологічні особливості процесу осушки газу і його аналіз як керованого об’єкта. Сировиною для установки є природний газ, продукція – осушений природний газ з необхідною глибиною осушки.
Наведені загальні відомості про технологічний процес абсорбційної осушки газу як керований об’єкт. Показано, що в процесі підготовки газу до подальшого транспортування його в Західну Європу основну роль відіграє установка комплексної підготовки газу(УКПГ), рівень автоматизації якої зумовлює ефективність самого процесу осушки природного газу.
Проведено огляд літературних джерел з питань автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки природного газу на компресорних станціях магістральних газопроводів, тенденцій розвитку систем управління та вибрано напрямок досліджень. Проведений аналіз показав, що в Україні і за кордоном питанням автоматизації технологічних процесів абсорбційної осушки газу на компресорних станціях магістральних газопроводів надається велика увага. Над вирішенням цієї наукової проблеми працюють фірми України, Росії, США, Канади та ін.
На основі аналізу літературних джерел і тенденцій світової автоматики визначено, що у зв’язку з розвитком методів штучного інтелекту і удосконаленням програмних і технічних засобів обчислювальної техніки з’являється можливість організації нового підходу до розробки систем управління. Такий підхід базується на інтелектуалізації системи управління, що дозволяє адекватно моделювати технологічні процеси в умовах невизначеності, використовувати знання і виробничий досвід висококваліфікованих спеціалістів для прийняття керуючих рішень.
З’ясовано, що класичні методи теорії оптимального керування важко застосувати для вирішення задач управління в умовах невизначеності, оскільки вимагалась висока точність моделювання, що неможливо досягнути на практиці.
Проведений аналіз існуючих методів і засобів автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки газу показав, що на даний час відсутні високоефективні системи автоматичного управління процесу абсорбційної осушки газу та відповідного алгоритмічного та програмного забезпечення, які забезпечують автоматизоване управління цим процесом з високою вірогідністю і швидкодією в умовах невизначеності процесу осушки природного газу, що вимагає безпосередньої участі людини-оператора в управлінні процесом осушки газу з виконанням функцій поточного контролю та формування керуючих рішень.
Відзначено, що у зв’язку з розвитком методів теорії нечітких множин і нечіткої логіки створюється можливість організації нового підходу до розробки систем автоматизації технологічного процесу абсорбційної осушки газу, який полягає в застосуванні нечіткої логіки для розв’язання наукової задачі автоматизованого управління процесом абсорбційної осушки газу в умовах невизначеності цього процесу і створенні інтелектуальних систем управління, спроможних працювати з лінгвістичною невизначеною інформацією. Особливістю таких систем є те, що модель і механізм логічного висновку є окремими частинами, що дає можливість удосконалення моделі або її заміни без зміни логічного висновку.
В цьому розділі викладені етапи створення автоматизованої системи керування технологічним процесом абсорбційної осушки газу: виявлення знань, представлення знань, використання знань. Зокрема виявлення і представлення знань відповідає процесу моделювання, а використання знань – процесу прийняття рішень. Проведений аналіз дозволив зробити висновок, що відомі детерміновані математичні моделі не забезпечують опис виробничої ситуації з тою адекватністю, яка досягається при імітаційному моделюванні, яке базується на знаннях. Зроблено також висновок, що УКПГ на компресорних станціях магістральних газопроводів потребують удосконалення, яке може бути здійснено з використанням методів теорії нечітких множин. На основі аналізу існуючого рівня автоматизації сформульоване основне коло завдань, що розв’язуються в напрямку розробки системи підтримки прийняття рішень для підвищення ефективності технологічного процесу осушки природного газу на основі розширення її функціональних можливостей, розробки нечіткої математичної моделі, алгоритмічно-програмного забезпечення тощо.
Другий розділ присвячений дослідженню керованого об’єкта, яким вибрано абсорбційну тарілчату колону, яка має продуктивність 5 млн. м3/ добу.
Процес абсорбції як об’єкт математичного моделювання схематично зображено на рис.1. Індексами ″а″ позначено стан газу і абсорбенту при їх вході в абсорбер, а ″е″ - при виході із нього. Абсорбент – це диетиленгліколь, масова концентрація якого не нижча 99÷99,5%. Контакт газу, що підлягає осушенню, з абсорбентом відбувається на тарілках.
Вхідними величинами об’єкта є:
тиск Ра на вході в абсорбер, Па;
концентрація води в газі Yа, що поступає в абсорбер, кг⋅моль/ кг⋅моль;
концентрація води в абсорбенті Ха – при вході в абсорбер, кг⋅моль/ кг⋅моль;навантаження газу на абсорбер МG,а, моль/с; температура газу, що поступає в абсорбер, К,
а вихідними – тиск Ре на виході із абсорберу (перепад тисків для насадкових абсорберів), Па; концентрація води в газі Yе на виході із абсорберу, кг⋅моль/ кг⋅моль; концентрація води Хе в абсорбенті, що покидає установку, кг⋅моль/ кг⋅моль; відбір газу із абсорберу МG,е, моль/с.
Створена математична модель для і-ої тарілки. Отримані результати моделювання дали змогу записати лінеаризовану математичну модель тарілки у такому вигляді:
 , (1)
 , (2)
 ,(3)
 , (4)
 ,
 .
Систему диференційних рівнянь (1) – (4), яка описує динаміку і-тої тарілки, подано в матрично-векторній формі
 , (5)
де  ;  - матриці, складені із коефіцієнтів при вхідних та вихідних змінних відпо-відно;  ,
із якої можна визначити  ,
де  - матриця передачі і-тої тарілки.
Система диференційних рівнянь (1) – (4) подає лінеаризовану математичну модель і-тої тарілки в просторі станів, координатами якого є змінні     а співвідношення  в еквівалентній формі – в формі матричної функції передачі.
Для отримання моделі абсорберу в цілому враховано зв’язки, які існують між тарілками, і граничні умови. Нумерація тарілок ведеться зверху вниз, то на першу тарілку поступає газ в кількості  моль/с і вмістом вологи в газі  моль⋅кг/ моль⋅кг; знизу абсорберу відбирається відпрацьований абсорбент концентрацією  моль⋅кг/ моль⋅кг. Із N-ої (останньої) тарілки відбирається осушений газ, витрата якого  моль/с і вмістом вологи  моль⋅кг/ моль⋅кг; а на верхню тарілку поступає абсорбент концентрацією  моль⋅кг/моль⋅кг. Оскільки в лінеаризовану модель тарілки входять величини, які відраховуються від їх усталених значень, то граничні умови для математичної моделі (1) – (4) будуть мати такий вигляд:
для першої тарілки
    ; (6)
для N-ої (останньої) тарілки
    . (7)
Взаємозв’язки між вхідними і вихідними величинами абсорберу знайдено шляхом розв’язку системи рівнянь (1) – (4) спочатку для першої тарілки з початковими умовами (6); потім отримані результати використано як початкові умови для другої тарілки і т.д. аж до N-ої тарілки включно. Такий поелементний спосіб опису динамічних властивостей абсорберу наштовхується на певні труднощі, пов’язані з тим, що концентрації води задаються на протилежних кінцях колони.
З практичної точки зору найбільший інтерес викликає динаміка колони відносно вхідних    і вихідних    величин. В такому випадку матрицю передачі і-тої тарілки отримано із матриці Wi(р) шляхом вилучення першого стовбця і першої лінійки. В результаті отримано алгоритмічну структуру колони, як це показано на рис.3.
Рис.3.Алгоритмічна структура абсорбційної колони
Кожну тарілку можна розглядати як багатомірну ланку з векторним входом  і векторним виходом  . Динамічні властивості такої ланки характеризуються матрицею передачі Wi(р). Оскільки ланки з’єднані послідовно, то динаміка колони опишеться системою матричних рівнянь:
 ,  ;
 ,  ; (8)
......................................................
 ,  ;  .
Вилучаючи із (8) всі проміжні змінні, крім  і  , отримаємо матричну функцію передачі.
 , (9)
яка однозначно визначає лінеаризовану модель абсорбційної колони.
Для перевірки моделі на адекватність була використана структурна схема першої тарілки абсорбера, на другий вхід якої подавалось збурення у вигляді одиничного вхідного сигналу (оскільки другий вхід відповідає сигналу про зміну вологовмісту газу, а це є основний параметр контролю на установці), і після цього досліджувались вихідні сигнали на чотирьох виходах тарілки, які відповідають вологовмісту ДЕГу, вологовмісту газу, витраті газу і тиску в апараті.
Третій розділ присвячено розробці логіко-лінгвістичних моделей на УКПГ в умовах невизначеності. Розроблена система вирішує три задачі: управління процесом абсорбційної осушки газу, попередження аварійних ситуацій та вибір режиму роботи установки. Для створення експертної системи у експертів-технологів були отримані необхідні знання, які формалізовані у вигляді логічних правил-продукцій і завантажені в базу знань(БЗ) системи.
У зв’язку з тим, що досвід і знання експертів є суб’єктивними і такими, що важко піддаються формалізації, а також у зв’язку з їх лінгвістичною невизначеністю, для представлення знань була використана теорія нечітких множин. Найбільш складною проблемою при побудові експертної системи є лінгвістична невизначеність знань експертів, коли їх неможливо описати кількісно, користуючись відомими детермінованими методами. З іншого боку при розв’язку задачі оперативно-диспетчерського управління процесом осушки газу невизначеність пов’язана ще з похибками вимірювання параметрів технологічного процесу, невизначеністю термів, невпевненістю експертів в своїх висновках, а також нечіткістю способу представлення знань. У зв’язку з цим невизначеність ввели в рамки продукційної моделі прийняття рішень. Здійснено моделювання невизначеності шляхом використання термів лінгвістичних змінних: „нижче норми”, „норма”, вище норми” для тиску газу, „низька”, „середня”, „висока” для температури газу і т.п.
Аналіз результатів дослідження моделі представлення знань у вигляді продукцій показав, що для вирішення проблеми автоматизованого управління процесом абсорбційної осушки газу в умовах невизначеності необхідно модифікувати продукційну модель в логіко-лінгвістичну модель(ЛЛМ).
На першому етапі побудови нечіткої моделі були відокремлені головні лінгвістичні змінні: вологість, тиск, витрата газу на вході, витрата ДЕГу на вході, температура точки роси на виході з абсорбера. Потім визначались нечіткі множини, що описуються поняттями „норма”, „вище норми”, „нижче норми” і т.п., і відповідаючі їм носії нечітких множин.
Логіко-лінгвістична модель по контролю стану установки виконана у вигляді набору логічних правил-продукцій, що визначають суб’єктивну оцінку діапазонів на основі знань, досвіду і інтуїції експертів-технологів (опитано 5 експертів).
В результаті аналізу визначено, що для таких об’єктів, як УКПГ, найбільше раціонально використати продукційні моделі. Множина правил-продукцій, яка завантажується в БЗ, являє собою апріорні знання про предметну область і формується експертом на основі його досвіду і інтуїції з використанням логічних операторів І, АБО, НІ та імплікації “ЯКЩО...ТО...”. Сукупність правил має таку структуру:
лінгвістичне формулювання експерта для вологості газу:
1) ЯКЩО вологість газу дуже низька, ТО потрібно припинити подачу газу в абсорбер АБО припинити подачу ДЕГу в абсорбер;
2) ЯКЩО вологість на середньому рівні ТО регулювання не потрібне;
м1 - вологість дуже низька;
м2 – вологість газу на середньому рівні;
Р1 – припинити подачу газу в абсорбер;
Р2 – припинити подачу ДЕГу в абсорбер;
Р3 – регулювання не потрібне;
логічні правила продукції:
R1: ЯКЩО Х1є м1 ТО У1єР1 АБО У1єР2;
R2: ЯКЩО Х1є м2 ТО У1єР3,
де Х1;У2 – лінгвістичні змінні.
Простота і наочність цього способу зумовили застосування його в системі, що розробляється. Коли поточна виробнича ситуація на установці узгоджується з умовою ЯКЩО, то виконуються дії, які визначаються заключною частиною ТО, або ІНАКШЕ. Послідовність дій, яка веде до необхідного результату, створюється ланцюгом виведення.
Модульність, можливість нарощування логічних правил, зручність модифікації, здібність БЗ пояснювати прийняті рішення показали, що продукційні моделі найбільш підходять до розв’язку задач оперативно-диспетчерського управління процесом абсорбційної осушки газу. Управлінські рішення грунтуються на глобальній базі знань (ГБЗ) і приймаються у відповідності зі стратегією управління системи, що реалізується у блоці логічного виводу (БЛВ).
Розроблено логіко-лінгвістичну модель метазнань, яка дозволяє при наявності інформації про проблемні параметри вибрати необхідну локальну модель представлення знань для вирішення поточної проблеми.
З урахуванням характеру задач, що розв’язуються на УКПГ і форми взаємодії з технологічним процесом, запропонована і розроблена структура (рис.4) інтелектуальної системи.
Запропонована структура не є автономно функціонуючим програмним продуктом, а розроблена як інтелектуальна надбудова для існуючої на УКПГ системи оперативно-диспетчерського управління. Основним елементом системи є база знань (БЗ). Вона містить нечітку продукційну модель, в якій виробляються закономірності, які характерні для процесу абсорбційної осушки газу, а також знання досвідчених технологів. БД містить поточні дані про технологічний процес. БЛВ реалізує процедуру виведення в інтелектуальній системі управління. БЗ і БЛВ визначають здатність зберігати знання і спроможність оперувати ними. При створенні системи управління значні зусилля і час витрачаються на розробку БЗ, тобто на накопичення знань, визначення моделі їх представлення, структурування, заповнення БЗ і підтримки її в актуальному стані. При створенні БЗ враховувались наступні особливості установки абсорбційної осушки газу: наявність відносно незалежних блоків обладнання, динамічність функціонування, швидке оновлення великих масивів вимірювальних даних, які характеризують технологічних процес осушки природного газу. БЗО забезпечує зв’язок інтелектуальної системи управління з технологічним процесом абсорбційної осушки газу. БПіВР формує результат рішення задачі керування, а також текст пояснення на основі даних БЛВ і містить інформацію про те, які продукції і в якій послідовності були запущені. БК дозволяє експерту здійснити вивід на дісплей, перегляд і коректування правил в БЗ. Сеанс роботи з системою управляння починається з виводу поточних даних про стан технологічного процесу осушки газу. Дані можуть вводитися як безпосередньо з пульта оператора так і від давачів, розташованих на об’єкті. Значення технологічних параметрів поступають через БЗО в БД і відображаються на дисплеї користувача.
Використовуючи поточні дані з БД і правила-продукції з БЗ, БЛВ визначає варіанти управління. Результат вирішення задачі управління через БПіВР відображається на дісплей користувача. Завдання на управління установкою поступає через БЗО на цифро-аналогові перетворювачі(ЦАП) і через відповідні перетворювачі на виконавчі механізми. Якщо отримане рішення не задовільняє оператора, то він вносить необхідні на його думку корективи в параметри управління. БК дозволяє експерту здійснювати модифікацію правил, якщо виникає в цьому потреба в результаті змін режиму роботи установки протягом тривалого часу, зміни якості газу і т.п. Зміна і доповнення правил здійснюється за допомогою текстового редактора.
В роботі запропоновано оригінальний метод структурування знань, який дозволяє експертній системі ефективно працювати в реальному часі, оскільки суттєво прискорюється процес прийняття рішень. Сутність методу полягає в тому, що БЗ у відповідності з специфікою об’єкта управління розбита на незалежні блоки, кожен з яких дозволяє розв’язувати конкретну задачу (контроль, управління і т.п.) для УКПГ. Отже, глобальна база знань(ГБЗ) структурно складається з декількох БЗ, які в свою чергу містять блоки логічних правил(БЛП) і блоки нечітких даних(БНД). БЛП являє собою модель знань або логічні правила, що відображають технологічний регламент функціонування УКПГ, БНД містить в собі нечіткі факти і дані, що відображають хід технологічного процесу осушки газу.
При розробці методу враховували, що при великому обсязі знань можуть виникнути труднощі у оперативно-диспетчерського персоналу по вибору тієї локальної бази знань(ЛБЗ), яка безпосередньо приймає участь у формуванні рішення по управлінню. У зв’язку з цим запропоновано використати метазнання(БМЗ), тобто знання системи про себе, про свою структуру і свою роботу. БМЗ включений додатково в структуру ГБЗ. Він дозволяє при зміні режимів роботи УКПГ, виникненні пошкоджень обладнання, або виході будь-якого технологічного параметра за межі допустимих значень, вибирати потрібну для розв’язку проблеми ЛБЗ. При створенні БЗ зроблено аналіз способів подання знань, що грунтуються на використанні продукцій, фреймів, семантичних сіток, логіки предикатів першого порядку.
| 
