Автоматизированное диспетчерское управление технологическими процессами в нефтегазовой отрасли

Нефтегазовая отрасль обладает большим разнообразием технологических процессов, обеспечивающих все этапы сложного пути нефти и газа от извлечения из недр до преобразования в конечный продукт: геолого-геофизические работы, бурение, разработка и эксплуатация, трубопроводный транспорт и хранение, химия и переработка, распределение и др. Особенностями нефтегазового производства являются: территориальная распределенность, непрерывный характер гидрогазодинамических процессов; технологическая и экологическая опасность, сложность систем нефте- и газоснабжения. Примером такого рода объектов являются трубопроводные системы нефте- и газоснабжения, которые охватывают всю территорию России и Беларуси, связывая между собой многочисленных потребителей и источники сырья. Основным видом управления этими столь разнообразными технологическими процессами нефтегазовой отрасли является оперативнодиспетчерское управление, на основе диспетчерских комплексов моделирования (ДКМ) и компьютерных тренажерных комплексов (КТК).

Существующие ДКМ применяются диспетчерскими службами в основном для решения задач моделирования, планирования, прогнозирования режимов работы газотранспортных систем (ГТС), ретроспективного анализа ситуаций, диагностики фактического состояния объектов и ГТС. Применение КТК позволяет проводить компьютерное моделирование различных аварийных ситуации в ГТС и в процессе противоаварийных тренировок диспетчерского персонала формировать навыки принятия решений в условиях дефицита времени и ресурсов управ-

ления.

В настоящее время ДКМ устанавливаются на каждом из уровней диспетчерского управления: диспетчерского пункта линейного производственного управления магистрального газопровода, производственно-диспетчерской службы (ПДС) газотранспортного общества (ГТО).

При интеграции ДКМ со SCADA-системами, когда частота поступления данных составляет менее минуты, накладывается жесткое ограничение на время проведения расчета. В результате решение задач ПДС ГТО, содержащих десятки тысяч технологических объектов, в режиме реального времени становится затруднительным. Анализ режимно-технологических задач показал, что многие из них требуют многократного итерационного расчета отдельных моделей технологических объектов и содержат естественный параллелизм. К ним относятся расчеты трубопроводных систем, режима работы компрессорных цехов, областей допустимых режимов работы газоперекачивающих агрегатов (ГПА), режима работы многоцеховой компресорной станции, режима работы ГТС в целом. Cпособом повышения эффективности программного обеспечения автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) является модернизация КТК путем создания распределенной многопользовательской имитационной вычислительной обучающей среды, адекватной многоуровневому диспетчерскому управлению с использованием многоуровневых распределенных тренажерных комплексов. Такие тренажеры призваны обеспечивать имитацию информационного и интерактивного взаимодействия между персональными диспетчерскими тренажерами, установленными в ПДС разных уровней диспетчерского управления. Архитектура построения многоуровневого распределенного компьютерного тренажерного комплекса представлена на рис. 4.14. В его основу построения положен объектно-ориентированный подход с модульной организацией подсистем, а вычислительную основу составляет серверная имитационная среда моделирования, которая позволяет:

— осуществлять моделирование газотранспортной системы предприятия;

— получать данные из базы данных SCADA-систем различных предприятий;

— создавать учебно-тренировочные задачи (УТЗ) для индивидуального и коллективного обучения с учетом специфики схемы ГТС конкретной ПДС.

Для имитации процесса многоуровневого диспетчерского управления предусмотена работа диспетчера в следующих режимах.

Однопользовательский (индивидуальный) режим. Тренажер устанавливается на одной рабочей станции и является полностью автономным. База данных УТЗ содержит данные для конкретной ГТС и позволяет в течение одного сеанса работы проводить подготовку только одного диспетчера. В этом режиме пользователь может монопольно управлять объектами расчетной схемы на любом из уровней иерархической структуры диспетчерского управления (рис. 4.15).

Сетевой (коллективный) режим. Рабочие станции располагаются в дисплейном классе, объединенном локальной вычислительной сетью. На сервере приложений устанавливается полнофункциональный диспетчерский тренажер, на рабочих станциях — модули графического интерфейса пользователя и локальные базы данных. Работа каждого диспетчера автономна, и при выполнении УТЗ не предусматривается взаимодействия с другими диспетчерами. В этом режиме пользователю доступны различные расчетные схемы и расширенный набор учебно-тренировочных задач. Распределенный многоуровневый режим. Используются как локальные, так и территориально распределенные вычислительные сети. Рабочие станции тренажера размещаются на АРМах в различных диспетчерских службах и соединяются с сервером тренажера удаленными каналами связи. В данном режиме сервер распределенной тренажерной системы может полностью брать на себя вычислительные (расчетные) функции — в этом случае рабочие станции обеспечивают функции графического интерфейса пользователя.

Во втором варианте расчетные функции распределяются по рабочим станциям тренажерной системы, а сервер обеспечивает синхронизацию всех информационных потоков. Распределенные многоуровневые тренажерные системы призваны обеспечивать информационное иинтерактивное взаимодействие между индивидуальными диспетчерскими тренажерами, установленными в ПДС разных уровней диспетчерского управления (рис. 4.16).

Важным показателем результатов работы обучаемых как в индивидуальном режиме, так и с многоуровневым тренажерным комплексом является оценка результатов выполнения УТЗ. Оценка деятельности участников складывается не только из индивидуальных показателей деятельности каждого участника, но также из групповых и экспертных оценок коллективного решения по управлению объектами газотранспортной системы.

Оценивание результатов коллективного обучения осуществляется по ряду наиболее важных аспектов деятельности обучаемых:

— эффективность сформированного участниками решения (представление решений к заданному сроку, управление в аварийных и нештатных ситуациях, согласно регламенту, учет технологических ограничений, наличие ошибок и их количество);

— межгрупповое взаимодействие в процессе решения задачи (быстрота принятия решений, аргументированность при защите своих решений обучаемыми, согласование обобщенного решения, межличностное общение участников обучения);

— взаимодействие участников работы внутри групп (активность каждого из обучаемых и его вклад в общий результат);

— личностные качества обучаемых, которые невозможно формализовать (эрудированность, принципиальность, умение аргументировать и отстаивать решение, честность и другие).

Планирование потребностей в ресурсах.

Системы планирования потребностей в ресурсах определяют количество и время всех производственных ресурсов, необходимых, чтобы произвести конечную продукцию, заданную в графике выпуска продукции. Производственные ресурсы включают материалы и полуфабрикаты, покупные изделия, изделия собственного производства, персонал, финансы и производственные мощности. На рис. 2.5 показаны основные элементы систем планирования потребностей в ресурсах. Здесь выясняется, можно ли получить необходимые материальные ресурсы от поставщиков и достаточны ли производственные мощности, чтобы обеспечить выполнение графика выпуска продукции. Если экономически обоснованные возможности недостаточны, то график должен быть изменен. После того как определено, что график выпуска продукции допустим, планы потребностей в материальных ресурсах и мощностях становятся ядром краткосрочного плана производства. Исходя из плана потребностей в материальных ресурсах службы снабжения формируют план поставок всех приобретаемых материальных ресурсов, а службы управления производством составляют оперативные производственные планы. Ниже описываются два основных элемента систем планирования потребностей в ресурсах — планирование материальных потребностей (MRP) и планирование потребностей в мощностях (CRP). Планирование материальных потребностей базируется на том, что они определяются как зависимые. Спрос на ресурсы определяется как сумма потребностей по всем видам продукции, которые должны быть произведены.

Подсистема MRP выполняет следующие функции:

— воспринимает информацию MPS;

— рассчитывает на основе MPS потребности в материалах, полуфабрикатах, DCE по интервалам планового горизонта;

— уменьшает эти потребности для тех материальных ресурсов, которые есть в запасах;

— строит график заказов на приобретение и производство в планируемом периоде.

MRP обеспечивает управленцев информацией, которая позволяет выдерживать сроки поставки продукции заказчикам и обеспечивает своевременность выполнения внутренних заказов в ходе производственного процесса.

На рис. 2.6 показана динамика уровня запасов при использовании системы MRP.

Когда объем заказа фиксирован, применяется политика «точки заказа». При этом заказанное количество плюс страховой запас хранятся в запасах до тех пор, пока конечная продукция, в которой данные материалы и полуфабрикаты применяются, не попадет в график выпуска

продукции. Но так как в ожидании попадания в график может пройти длительное время, то в итоге большую часть времени система будет работать с высоким уровнем запасов, а время с низким уровнем будет относительно невелико. Напротив, в MRP заказы на материальные ре-

сурсы возникают синхронно с появлением изделия в графике выпуска продукции. Итогом является значительное снижение среднего уровня запасов и затрат на них. Подсистема MRP позволяет лучше организовать управление количеством и временем поставки материальных ресурсов в производстве. Кроме того, входной поток материальных ресурсов становится управляемым в связи с изменениями производственных планов различных уровней. Эти результаты являются следствием концепции, которая состоит в том, что все материальные ресурсы (материал, деталь, сборочная единица), необходимые для использования в производстве, должны

прибыть одновременно туда, где производится конечная продукция, попавшая в график выпуска продукции. Такой подход позволяет ускорить движение ресурсов, которые запаздывают, и замедлить движение ресурсов, которые могут прибыть раньше срока.

Входами в MRP являются график выпуска продукции и данные состояния запасов и состава продукции. Эта входная информация обрабатывается программными средствами MRP. В результате выдается следующая выходная информация: обращение к данным состояния запасов, которые поддерживают данные в актуализированном состоянии; спланированные заказы для обеспечения графика; отчеты, обеспечивающие управленцев информацией для решения задач управления производством.

В MRP не рассматривается вопрос о допустимости графика. Предполагается, что график является допустимым с точки зрения производственных мощностей. График в MRP преобразуется в материальные потребности. Если эти потребности не могут быть удовлетворены располагаемыми материалами в запасах или в уже поданных заказах или существуют временные ограничения на новые заказы, тогда график выпуска продукции необходимо скорректировать. Этот процесс может выполняться параллельно с проверкой на допустимость по мощностям.

Проверка на допустимость графика по мощностям в некоторых системах ERP выполняется в модуле «Формирование графика выпуска продукции». Таким образом, в MRP попадает допустимый с этой точки зрения план верхнего уровня. Однако это не отменяет необходимость проверки на допустимость и на уровне MRP. Вообще в большинстве современных систем проверка планов на допустимость выполняется практически на всех уровнях планирования. Подсистема планирования графика выпуска продукции управляет работой подсистемы MRP и является основой для MRP в части планирования потребностей в покупных материалах и в собственном производстве. По мере того как график обновляется, результаты работы MRP также модифицируются. Заказы на материальные ресурсы ускоряются, замедляются или выводятся из системы. Характер закрепления плана в графике выпуска продукции повторяется и в MRP. Данные о составе изделия и применяемости материалов представляют собой полный список всех выпускаемых изделий, количество материалов на единицу продукции, структуру продукции. Данные поддерживаются в актуальном состоянии по мере проектирования и

конструирования изделий и внесения проектно-конструкторских изменений. Актуализированное состояние данных является одним из основных условий работы подхода MRP. При условии, что данные актуализированы и точны, график выпуска продукции сразу после его подготовки может быть преобразован в материальные потребности.

Таким образом, подсистема MRP работает следующим образом:

1. Из MPS получается количество изделий, которые необходимо выпустить в каждом интервале планируемого периода.

2. К изделиям присоединяются сервисные изделия, которые не были включены в график, но исходя из заказов клиентов рассматриваются как конечная продукция.

3. Информация об изделиях, определенных выше, преобразуется в общие потребности по всем материальным ресурсам по всем периодам заданного горизонта с учетом информации о составе изделия и применяемости материалов.

4. С помощью информации о состоянии запасов вычисляются для каждого периода чистые потребности по формуле: Чистые потребности = Общие потребности – Запас в нали-

чии + Страховой запас +Запасы, предназначенные для других предприятий

Если чистые потребности не нулевые, необходимо сформировать заказы на соответствующий материальный ресурс.

5. Заказы сдвигаются на ранние временные периоды в соответствии с производственными циклами или циклами выполнения заказов поставщиками. Так определяется время запуска заказа в производство или подачи заказа поставщику.

Из MRP выдаются транзакции в подсистему управления запасами (перечень запускаемых заказов, изменения в заказах и т. п.), которые используются для корректировки файла состояния запасов. Всякий раз, когда возникают чистые потребности в материальных ресурсах, в MRP должно вырабатываться решение об оптимальном размере партии заказа (lot-sizing decision). Существуют различные методы ее решения. В их числе, в частности, метод нормативного заказа (lot-for-lot (LFL)) и метод периодического пополнения запасов (period order quantity (POQ)). Первый заключается в том, что размер партии принимается равным чистым потребностям. Во втором размер партии принимается равным чистым потребностям за период, длительность которого является параметром системы. Практическое применение в реальных системах находят указанные методы или их модификации. В модулях MRP многих систем допускается планирование только изменений. В этих системах график выпуска продукции обновляется только за счет изменений. Система MRP затем приводится в действие, чтобы выдать выходную информацию, касающуюся только произведенных изменений, а не всего нового графика. Такой подход означает, что все расчеты выполняются на подмножестве планово-учетных единиц из графика. С точки зрения теории управления такой подход является правомерным, однако он не всегда оказывается эффективным, так как может привести в ряде случаев к росту трудоемкости и затрат вычислительных ресурсов на отбор подмножества, для которого производится определение материальных потребностей. Для относительно несложных производственных процессов используется периодический перерасчет MRP на полном множестве. Такие системы, безусловно, проще в проектировании и внедрении. Однако они не могут применяться постоянно для многономенклатурного многосерийного и индивидуального производства, так как это привело бы к резкому возрастанию потребностей в вычислительных ресурсах и снижению эффективности системы управления. Модули MRP находят применение и в специфических производствах, осуществляющих сборку под заказ (assemble-to-order). В этих производствах номенклатура конечной продукции необычайно высока, поскольку заказчики получают возможность выбрать многочисленные конфигурации. На основе небольшого количества базовых моделей изделий и многочисленных опциональных возможностей число видов конечной продукции может достигать астрономических величин.

По этой причине на предприятиях, осуществляющих сборку под заказ, график выпуска продукции и план материальных потребностей MRP обрабатываются отдельно от графика сборки под заказ (final assembly schedule (FAS)). График FAS обычно разрабатывается на однудве недели, и в него включается уникальная продукция, заказанная клиентами. В то же самое время график выпуска продукции, MRP и все другие элементы системы планирования потребностей в ресурсах имеют дело с более длительными производственными циклами и не базируются на уникальных заказах. В системе MPS при построении FAS обрабатывается так называемый модульный состав изделия, который отражает свойства семейства продукции. Он представляет собой список с указанием прогнозируемого в процентах спроса клиентов на варианты, которые создаются на основе базовой комплектации, общей для всех заказов. Такой подход значительно уменьшает нагрузку на вычислительную систему со стороны MRP, но приводит к необходимости применения специальных методов и средств построения FAS и ведения файла состава изделия. Планирование потребностей в производственных мощностях представляет собой часть системы планирования потребностей в ресурсах. Она предназначена для проверки графика выпуска продукции на допустимость по мощностям. В ходе этой проверки план прорабатывается до уровня, где заказы связаны с рабочими местами, а в ходе принятия решения могут рассматриваться сверхурочные, установка дополнительного оборудования, возможности выполнения работ по субконтракту на стороне. Подсистема CRP выбирает информацию о заказах, порожденную в планах MRP, и приписывает заказы к рабочим местам в соответствии с маршрутными технологиями. В маршрутных технологиях задана последовательность производственных процессов для каждого заказа. Затем информация о партиях материальных ресурсов преобразуется в данные о нагрузке на мощности на основе норм затрат труда и времени работы оборудования. Затем составляются графики нагрузки по всем заказам для каждого рабочего места. Если мощность достаточна по всем рабочим местам во всех временных периодах, то график MPS утверждается. Если нет, то должно быть выяснено, нельзя ли изменить мощности каким-либо рациональным способом — за счет сверхурочных, установки дополнительного оборудования или передачей заказов на сторону по субконтракту. Если таких возможностей нет, то необходимо пересмотреть маршруты с целью снижения на-

грузки на «узкие места» или пересмотреть график выпуска с точки зрения изменения в первую очередь сроков запуска и, если возможно, сроков выпуска. Центральным моментом проверки допустимости графика MPS является построение графиков нагрузки по рабочим местам. График нагрузки создается для сравнения нагрузки с располагаемыми мощностями по периодам горизонта планирования. Графики нагрузки строятся от завершающихся стадий производства к начальным. Иногда детализация плана MRP до работ не производится, а

оценка его допустимости выполняется на основе производственных циклов для компонент и объемно-календарных оценок потребностей в мощностях.