Основні принципи створення комп’ютерних систем контролю технологічних процесів. Комп’ютерна система поетапного діагностування роботи відцентрових нагнітачів природного газу Ключові слова

Вид материала

Документы

Содержание Об’єкт дослідження. Основна частина Математична модель об’єкта досліджень. Комп’ютерна модель об’єкта досліджень. Створення комп’ютерної системи поетапного діагностування відцентрових нагнітачів природного газу (ВН). Апаратна частина КСДО. Математична модель стану ВН. Програмна модель стану ВН.

Подобный материал:

• Назва модуля: Технології проектування комп’ютерних систем Код модуля, 19.17kb.
• Реферат використання комп'ютерних систем (КС) у провідних високотехнологічних сферах, 100.18kb.
• Дослідження проблемних питань організації інформаційних систем діагностування, 73.32kb.
• Прикладні програми для роботи в комп’ютерних мережах. Www та Internet, 151.42kb.
• Програма пр актики для студентів спеціальності 05010201 «Обслуговування комп’ютерних, 463.72kb.
• Інститут комп’ютерних технологій, автоматики І метрології, 169.96kb.
• Ютерна інженерія" Галузь знань: 0501 "Інформатика та обчислювальна техніка", 113.29kb.
• Робоча навчальна програма предмет Комп’ютери у фізичних дослідженнях, 98.31kb.
• «Комп’ютерна злочинність в Україні: виникнення, сучасний стан І тенденції», 330.76kb.
• Проектування комп’ютерних мереж” Керівник, 563.39kb.

Степан Прокіпчин

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

(науковий напрям: Інформатика та обчислювальна техніка)


Основні принципи створення комп’ютерних систем контролю технологічних процесів. Комп’ютерна система поетапного діагностування роботи відцентрових нагнітачів природного газу


Ключові слова: автоматизація, відцентровий нагнітач, діагностика

Вступна частина

Проблематика. Основним недоліком більшості галузей української економіки є недостатня автоматизація технологічних процесів на різних етапах виробництва. Це спричиняє високу залежність виробництва від людського фактору. Особливо яскраво це проявляється на етапі діагностування та контролю роботи елементів технологічної лінії. На більшості сучасних підприємств використовується плановий спосіб діагностики і контролю обладнання. Такий підхід має два недоліки: прилад може бути виведений в ремонт у справному стані при досягненні терміну чергового ремонту або ж дефекти розвиваються стрімко в міжремонтний період, що приводить до виходу приладу з ладу і в подальшому до незапланованих ремонтно – відновлюваних робіт. Метою даної роботи є отримання Комп’ютерної системи діагностики обладнання (КСДО) – альтернативного автоматизованого способу діагностики обладнання в реальному часі. Основні вимоги до створюваної системи діагностики:

1. універсальність – даний спосіб діагностування має підходити для довільного обладнання і працювати з довільною апаратною і програмною базою.
   
2. робота в реальному часі – система діагностування повинна вчасно виявляти несправності обладнання. Це можна досягти двома шляхами: або контролювати стан обладнання в реальному часі, або ж регулярно проводити діагностику (наприклад в кінці робочого дня).
   
3. легкість використання.
   

Об’єкт дослідження. В якості об’єкта, для якого буде реалізована система автоматизованої діагностики був вибраний відцентровий нагнітач природного газу Богородчанського лінійного виробничого управління магістральних газопроводів (ЛВУМГ). Дослідження, що викладені у роботі, зроблені у рамках держбюджетних робіт "Синтез комп’ютерних систем і мереж для об’єктів нафтогазового комплексу" і "Комп’ютерні системи для діагностування технічних засобів, біологічних об’єктів та управління технологічними процесами", які виконувались в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу.

Основна частина

Основні ідеї створення КСДО. У переважній більшості випадків створення КСДО можна розділити на 4 етапи:

1. Апаратна частина КСДО. Розробка зв’язку між об’єктом дослідження і комп’ютером. На даний момент існує досить багато різних способів підключення приладів до комп’ютера, причому більшість з них зводяться до звичайної 4-рівневої архітектури:
   

Рис. 1. Апаратна частина КСДО

Вибір інтерфейсу підключення (LPT, COM, USB) залежить від конкретних особливостей досліджуваного об’єкта і наявного комп’ютера. В більшості випадків обирають USB - порт через його швидкодію і через те, що він наявний у більшості сучасних комп’ютерів. Проте, як відомо, USB – порт має один суттєвий недолік: довжина кабелю, яким передається інформація по протоколу USB не можу перевищувати 1,8 м. Це накладає суттєві обмеження на деяких виробництвах. В такому випадку використовують COM – порт, який не накладає ніяких обмежень на довжину кабелю. LPT – порт на даний момент вважається застарілим і не використовується. Отож, застосувавши пристрій, зображений на рис. 1, на вході вибраного порту комп’ютера отримаємо послідовність байтів інформації, які можуть бути зчитані або стандартним драйвером операційної системи або спеціальною програмою. В загальному випадку збираються такі дані, як температура складових частин об’єкта, фізичні характеристики робочих тіл, умови навколишнього середовища.

2. Математична модель об’єкта досліджень. Як відомо, математична модель об’єкта - це сукупність взаємозв’язків між параметрами об’єкта і умовами навколишнього середовища, за допомогою якої можна безпосередньо визначити невідомий параметр. В нашому випадку невідомим параметром є технічний стан досліджуваного об’єкта: його справність або несправність, вид несправності, її складність. Математична модель – сукупність формул, які дозволяють визначити в якому стані знаходиться об’єкт. В більшості випадків
   математична модель діагностики приладу уже є виведена і описана в його технічному паспорті або в різних наукових працях. На даному етапі виникає основна проблема: більшість задач діагностики того чи іншого приладу зводиться до задач, які людині розв’язати важко або й взагалі неможливо (екстраполяція функції, розв’язок складної системи диференціальних рівнянь, обчислення складного інтегралу тощо). Вирішити цю проблему можна за допомогою комп’ютерного моделювання.
   
3. Комп’ютерна модель об’єкта досліджень. Комп’ютерна (програмна) модель - це реалізація математичної моделі у вигляді програми. Перевагою комп’ютерної моделі є те, що в ній можна використовувати не тільки формули, але й алгоритми різної складності (цикли, розгалуження тощо). Такі засоби набагато спрощують знаходження розв’язку і дослідження математичної моделі. Існує два способи комп’ютерного моделювання. Перший передбачає використання стандартних мов програмування (С, Pascal, Java), другий – спеціалізованих інструментів (MathCAD, MatLab тощо). Зупинимося на другому методі, а саме на використанні системи MatLab, яка має досить широкі можливості при моделюванні нейронних мереж. Отже, третім етапом розробки КСДО є створення комп’ютерної моделі стану об’єкта дослідження у вигляді M-файлу.
   
4. І
   Користувач
   нтерфейс користувача КСДО. Отож, комп’ютерна модель створена і являє собою MatLab-програму. На даному етапі виникає кілька проблем: по-перше, такі програми виконуються тільки за наявності системи MatLab; по-друге, такі програми не можуть працювати в реальному часі без значних затрат ресурсів комп’ютера; по-третє,MatLab хоч і підтримує роботу із зовнішніми пристроями через порти, проте ця підтримка є досить незручною і практично не використовується,і по-четверте,за допомогою MatLab досить складно створити зручний інтерфейс користувача. Вирішенням цієї проблеми є використання для створення кінцевого ПЗ КСДО мови програмування високого рівня. Звертаю увагу, що програмна модель, яка виконує основні функції діагностики залишається написаною на MatLab. Тепер принципова схема КСДО має такий вигляд:
   

COM,LPT,USB

Головна програма

COM,SDK

Апаратна частина

Комп’ютерна модель





База даних

Рис. 2. Структура КСДО

Зв’язок між апаратною частиною та головною програмою є досить простим, оскільки всі сучасні мови високого рівня (C++, Delphi, Pascal) мають можливість зчитувати дані з портів комп’ютера у зручному побайтовому форматі. Зв’язок між апаратною частиною і базою даних залежить від конкретної реалізації БД і здійснюється за допомогою спеціального драйвера, який усі дані, які прийшли з порту записує в БД, або ж за допомогою (в якості посередника) основної програми, яка всі зчитані дані зберігає в БД. Така архітектура забезпечує два способи діагностики: в реальному часі або ж аналіз даних із БД (наприклад в кінці робочого дня чи місяця). Зв’язок головної програми із БД здійснюється в залежності від реалізації БД і мови програмування: в найпростішому випадку БД може бути звичайним текстовим файлом, в більш складніших випадках БД може являти собою складну структуру, зв’язок з якою здійснюється за допомогою запитів SQL або СОМ-інтерфейсів. Найскладнішою ланкою наведеної схеми є зв’язок між головною програмою і комп’ютерною моделлю. В даній роботі розглянуто два способи такого зв’язку: за допомогою MatLab SDK і за допомогою технології COM. Перший спосіб є стандартним. MatLab SDK – набір бібліотек і функцій мови С, які входять в пакет MatLab і дозволяють використовувати в програмах мовою С більшість можливостей MatLab. Проте такий підхід має ряд недоліків: по-перше, використання MatLab SDK можливе тільки в С – програмах, по-друге, бібліотеки SDK суттєво збільшують розмір головної програми, по-третє, використання даного способу змушує фактично переписати комп’ютерну модель на мову С (з використанням спеціальних функцій), що ускладнить програму без будь-якого виграшу по швидкості роботи. Використання технології COM може вирішити ці проблеми. Як відомо, більшість програм ОС Windows дають можливість використовувати їх COM-сервери – об’єкти, які інкапсулюють певні функції програми і можуть використовуватися без явного її запуску. Ці об’єкти інколи називають інтерфейсами. MatLab також дає можливість використовувати свої функції через COM-сервер, який називається matlab.application. Даний об’єкт можна створити у всіх сучасних мовах програмування високого рівня (за допомогою функцій CreateOleObject або CreateComObject), але особливо зручним його використання є у мовах Delphi, Visual Basic і C#. Після створення COM-сервера для запуску MatLab-команди потрібно використати всього одну функцію сервера (Execute). Параметром даної функції є довільна команда MatLab, або рядок виду “run ” (в цьому випадку вказаний m-файл виконається). Саме цей спосіб є найпростішим і найзручнішим у нашому варіанті.

Створення комп’ютерної системи поетапного діагностування відцентрових нагнітачів природного газу (ВН). На основі вище наведених принципів було реалізовано систему CS Diagnostic System (Centrifugal Superchargers Diagnostic System). Опишемо процес створення поетапно:

1. Апаратна частина КСДО. Апаратна частина КСДО є досить складною і її опис виходить за межі даної роботи. Єдине, що варто зауважити – апаратна частина КСДО CS Diagnostic System реалізована у згідно схеми, зображеної на рис. 1 (зв’язок з комп’ютером здійснюється через COM-порт) і є стандартною для відцентрових нагнітачів PCL – 804 – 2.
   
2. Математична модель стану ВН. Роботу нагнітача досить повно характеризують три показники: степінь стискування , політропний коефіцієнт корисної дії і внутрішня потужність : , , , де - густина газу приведена до умов всмоктування.
   

Залежності , і - це паспортні характеристики нагнітачів, які надаються у вигляді графіків заводами-виготовлювачами. Несправності, які впливають на ефективність функціонування ВН, проявляються через зміну технологічних параметрів та показників роботи ВН. Наприклад, несправності проточних частин проявляються в зміні тиску та температури вихідного потоку газу, політропного коефіцієнта корисної дії, степеня стиснення газу, витрати повітря через компресор, зміні частоти обертання ротора нагнітача а також в зміні рівня шуму та вібрації. Вказані зміни можуть бути оцінені лише тоді, коли відомі деякі "базові" значення технологічних параметрів та показників, які зафіксовані для нового ВН (, , і ). Сучасні ВН оснащені інформаційно-вимірювальними системами, які, серед інших, вимірюють об'ємну витрату газу Q, температуру газу на вході і на виході нагнітача, число оборотів ротора n, тиск на вході в нагнітач та на виході із нагнітача. За цих умов вищенаведені показники розраховуються досить просто. Єдиною проблемою є те, що для автоматизованого обчислення базових значень величин , ,і (без використання графіків) необхідно певним чином апроксимувати залежності , і . Аналіз різних способів апроксимації показав, що найбільшої уваги заслуговує спосіб функціонального наближення за допомогою нейромереж. Оскільки математична модель нейромереж є досить складною, то перейдемо безпосередньо до її реалізації у вигляді програмної моделі.

3. Програмна модель стану ВН. Програмна модель технічного стану відцентрового нагнітача природного газу реалізована у вигляді MatLab-програми, має таку структуру:
   

Як видно з рисунку, від об’єкта досліджень (відцентрового нагнітача) поступають його робочі параметри (тиск, температури тощо). Обчислювачі О1-О6 формально являють собою m-функції, які обчислюють проміжні величини. За допомогою чотирьох обчислювачів О1, О2, О3 і О4 та двох узагальнених регресійних нейромереж – нейромережі-1 та нейромережі-2 обчислюються базові значення , і . Після цього таким же чином обчислюються реальні значення , і <sub>.

Відповідні значення віднімаються, в результаті чого отримуємо величини Δε, Δη і ΔN, які показують відхилення теперішніх показників від базових. По останніх трьох величинах можна віднести стан ВН до одного із трьох класів: справний, робочий, але несправний, неробочий. Даний вибір виконує нейромережа кластеризації.</sub>

4. Інтерфейс користувача КСДО. Для створення CS Diagnostic System було використано мову програмування С і всі вище наведені принципи. Оскільки сама програма є досить складною, то наведу тільки її основні особливості і вид у процесі роботи. Основні переваги CS Diagnostic System:
   

1. програма написана на мові С, що забезпечує легку переносимість і незалежність від платформи;
   
2. програма є досить загальною системою, яку легко пристосувати до рішення конкретної задачі;
   
3. програма забезпечує можливість використання зручного інтерфейсу користувача та додаткових інструментів: макросів.
   
4. внутрішня реалізація програми виконана за принципами об’єктно-орієнтованого програмування, тому являє собою сукупність об’єктів, пов’язаних між собою повідомленнями.
   

Рис. 4. Один із варіантів робочого вікна програми

Слід зауважити, що програма виконана у кількох версіях. Дослідження у цьому напрямі й далі продовжуються з метою створення комп’ютерної програми, яка без особливих труднощів могла би обслуговувати й інше обладнання газотранспортної системи України.

Висновки

У роботі приведено теоретичне узагальнення і вирішена актуальна задача з реалізації нового методу контролю технічного стану ВН природного газу, на основі алгоритму поетапної діагностики на базі нейромережевих технологій, що підвищить ефективність процесу діагностування, зменшить об’єм обчислень та створить передумови для переходу від планового обслуговування до обслуговування за їх фактичним станом. Імітаційне моделювання показало, що використання нейромережевих технологій дає можливість розділити технічний стан ВН на три класи з вірогідністю не гірше ніж 0,997. Випробування системи діагностування ВН природного газу проведені на промислових даних, які отримані у результаті експлуатації Богородчанської КС. Очікуваний економічний ефект від впровадження системи контролю технічного стану та діагностики становить 123 тис. грн. Ефективність запропонованого методу розпізнавання технічного стану ВН природного газу підтверджена результатами промислових даних, які отримані при експлуатації ВН PCL – 804 – 2 в умовах Богородчанського лінійного виробничого управління магістральних газопроводів. Показано, що з вірогідністю 0,975 стан ВН можна класифікувати як справний.

Література

1. Дубинский В.Г., Комардинкин В.П. Опыт внедрения на КС методов и технических средств диагностики ГПА.// Газовая промышленность. Сер. Автоматизация, телемеханизация и связь в газовой промышленности. – М.: ВНИИЭгазпром. – 1988. – Вып. 4. - 35с.
   
2. Зарицкий С.П., Толстов А.Г. Определение дефектов ГПА средствами вибрационной диагностики.//Тезисы докладов VII Всесоюзной научно-технической конференции: "Создание компрессорных машин и установок". – Сумы. – 1989.
   
3. Соляник В.Г. Дослідно – промислова експлуатація стаціонарної системи вітрозахисту і діагностування ГПА. // Нафтова і газова промисловість. – 1999. - №1. – С. 47-49.
   
4. Швалев В.М. Методы и средства оперативной вибродиагностики газоперекачивающего оборудования КС. // Сборник по автоматизации. Опыт разработки и внедрения АСУТП объектов нефтяной и газовой промышленности. – Киев. – 1990. – С. 120-125.
   
5. Заякин В.В., Матвеев А.С., Зюркалов Е.И. Вибрационная диагностика центробежных компрессорных машин. // Нефтяное хозяйство. – 1986. - №8. – С. 45-49.
   
6. Зенин В.И. Разработка методов совершенствования технологического обслуживания ГПА магистральных газопроводов. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. – М.: МИНХиГП. – 1988.
   
7. Горбійчук М.І., Скріпка О.А. Інтерфейс системи контролю технічного стану відцентрових нагнітачів природного газу. // Шоста науково – технічна конференція "Приладобудування 2007: Стан і перспективи". – м. Київ. – С. 347 – 348.
   
8. Когутяк М.І., Скріпка О.А. Комп’ютерна система поетапного діагностування роботи відцентрових нагнітачів природного газу. // Нафтогазова енергетика, № 1 (2), 2007. – С. 67-71.