Концепция развития функций SCADA-системы TRACE MODE на основе технологии экспертных систем принятия и исполнения решений

Современные SCADA-системы имеют схожие возможности и принципы функционирования, которые позволяют решить типовые задачи, такие как: диспетчерский мониторинг и сбор данных о протекании технологического процесса, управление при наличии четких алгоритмов и полной формализованной модели объекта управления. Однако, в случае, когда объектом мониторинга и управления является сложная динамическая многопараметрическая система, средств, предоставляемых традиционными SCADA-системами, становится недостаточно.

Необходимость в дальнейшем развитии SCADA-систем при управлении сложными техническими объектами и процессами обуславливается непрерывным возрастанием сложности управляемых объектов и процессов с одновременным сокращением времени, отводимого лицам оперативно-диспетчерского персонала на анализ проблемной ситуации, идентификацию возникшего отклонения от нормального (штатного) режима функционирования объекта, поиск возможных корректирующих решений по воздействию на объект, прогнозирование ситуаций, оценку последствий принимаемых решений и, наконец, выдачу команд на отработку необходимых управляющих воздействий.

Этот процесс требует много времени и высокой квалификации для того, чтобы точно и объективно оценить обстановку. При таком большом объеме информации, одновременно обрушивающейся на оператора, могут возникать ошибки. Анализ мирового опыта показывает, что при совершенствовании технологических процессов и автоматизации процесса принятия решений наиболее перспективным является использование информационных систем, основанных на знаниях, формализуемых в рамках технологии искусственного интеллекта и опыте высококвалифицированных специалистов, накапливаемом в базах знаний экспертных систем. 

Актуальной задачей при построении автоматизированных систем реального времени является перенос функций диспетчера по анализу данных, прогнозированию ситуаций и принятию соответствующих решений на компоненты интеллектуальных систем поддержки принятия и исполнения решений (СППИР). Концепция систем поддержки принятия и исполнения решений включает целый ряд средств, объединенных общей целью - способствовать принятию и реализации рациональных и эффективных управленческих решений. СППИР - это диалоговая автоматизированная система, выступающая в качестве интеллектуального посредника, поддерживающего естественно-языковый интерфейс пользователя со SCADA-системой, использующая правила принятия решений и соответствующие модели с базами знаний. Она организует удобный диалог SCADA-системы с пользователем, “ведет” его по этапам анализа информации, распознавания и прогнозирования ситуаций, анализирует параметры технологического процесса, помогает выбрать наилучшие решения в зависимости от возникшей ситуации, реализует их путем выдачи управляющих воздействий, корректируя тем самым ход технологического процесса и оптимизируя его параметры по заданному критерию.

Основными структурными составляющими СППИР являются база знаний и механизм логического вывода. База знаний предназначена для хранения совокупности фактов, закономерностей, отношений (знаний), описывающих проблемную область, и правил, описывающих целесообразные формы структурирования, формализации и преобразования знаний в этой области. 

Механизм логического вывода представляет собой совокупность способов применения правил вывода. Используя текущие или промежуточные исходные данные (факты) и знания из базы знаний, формирует последовательность правил, которые, будучи применены к исходным данным (фактам), полученным от SCADA-системы в результате контроля состояния технологического процесса, приводят к решению конкретной задачи диагностики, прогнозирования и регулирования параметров технологического процесса.

Гибкая открытая структура СППИР позволяет расширять функциональные возможности системы и круг задач, решаемых в процессе ее эксплуатации, а также постоянно повышает точность анализа, прогнозирования, планирования, организации, координации и контроля принимаемых решений за счет использования накапливаемого в базе знаний опыта.

Наличие достаточно полных моделей знаний в конкретной предметной области и постоянный контроль тенденции изменения параметров объекта управления обеспечивает диагностику и прогноз его поведения с высокой степенью достоверности и заданной точности. Существенным отличием предлагаемого подхода является то, что СППИР содержит универсальные программные средства, способные перенастраивать систему на другие объекты управления без изменения ядра программ.

Предлагаемая авторами концепция предполагает не просто создание обособленной экспертной системы обработки данных протекания технологического процесса, а интеграцию интеллектуальной СППИР с АСУ ТП на базе SCADA-системы Trace Mode, что существенно расширяет ее возможности, позволяет получить новый эффект от ее использования и удовлетворить возрастающие запросы разработчиков систем управления.

В новой версии Trace Mode 6 наблюдается расширение функций SCADA от системы диспетчерского контроля и управления технологическими процессами до более дорогостоящего программного продукта - системы управления предприятием с учетом финансового анализа, что согласуется с последними тенденциями на рынке промышленной автоматизации с интеграцией корпоративных функций и выражается в появлении соответствующих исполнительных модулей. 

При этом также возрастает эффект от использования СППИР, интеллектуальные функции по принятию и исполнению решений которой распространяются на все уровни автоматизированной системы управления предприятием (менеджеры нижнего, среднего и высшего звена управления).

ООО “Unis trans” предлагает комплексное решение для повышения эксплуатационной надежности и уровня автоматизации средств электрохимической защиты газотранспортной системы в виде автоматизированной системы электрохимической защиты магистральных газопроводов (АС ЭХЗ) “Икар”. АС ЭХЗ предназначена для повышения оперативности сбора, обработки, прогнозирования, планирования и анализа информации о защищенности объектов магистральных газопроводов (МГ) от коррозии и, прежде всего, для обеспечения дистанционного мониторинга и регулирования защитных параметров установок катодной защиты (УКЗ), а также дистанционного мониторинга защитного потенциала “труба-земля” на стационарных электродах сравнения (СЭС).

АС ЭХЗ предполагает:

- установку автоматизированных рабочих мест (АРМ) на трех уровнях системы ЭХЗ (линейно-производственные управления (ЛПУ), управления магистральными газопроводами (УМГ) - региональный уровень и административный уровень управления системой ЭХЗ газотранспортной системы) с программным обеспечением, включающем SCADA-систему Trace Mode со встроенной СППИР по диагностике и управлению системой ЭХЗ;

- установку на УКЗ блоков дистанционного контроля и регулирования (БДКР) для повышения уровня автоматизации процессов измерения, сбора, обработки, дистанционного мониторинга и регулирования параметров защиты, диагностики коррозийного состояния трубопроводов;

- развертывание системы передачи данных в составе АС ЭХЗ на основе технических средств GSM-технологии, УКВ-станций и проводной связи.

Структура АС ЭХЗ представлена на рис. 1. БДКР размещаются непосредственно на УКЗ (или в сооружении рядом с УКЗ) и осуществляют измерение защитных параметров УКЗ и стационарных электродов сравнения, связанных с данной УКЗ, а также регулируют значения защитного тока (напряжения, потенциала) по команде непосредственно с АРМ-ЛПУ. 

С нижнего уровня данные измерений параметров ЭХЗ (защитного тока и напряжения УКЗ, защитных потенциалов “труба-земля” на СЭС, дополнительные параметры состояния УКЗ (несанкционированного доступа, температуры, энергозатрат, работоспособности модулей УКЗ и БДКР) поступают на уровень ЛПУ, где расположен АРМ инженера службы ЭХЗ с установленным монитором реального времени (МРВ) Trace Mode, обеспечивающим оперативный уровень представления информации.

Связь АРМ-ЛПУ с БДКР осуществляется с использованием GSM-технологии, УКВ-радиосети или проводной связи. При этом настройка GSM-модемов и УКВ-станций, а также управление потоками сообщений между средствами связи и базой каналов МРВ осуществляется специально разработанным программным обеспечением. 

Вся информация архивируется в локальный архив МРВ и базу данных. В АРМ высшего уровня установлена база данных Oracle, где осуществляется хранение всей технологической информации. Для организации интерфейса построения запросов к данным уровня ЛПУ, а также обеспечения доступа к технологической информации пользователям административного уровня (АРМ-Ц) разработаны специализированные серверы приложений.

АРМ всех уровней завязаны в общую локальную сеть, а количество рабочих мест на каждом уровне может наращиваться. Оперативная (эксплуатационная) и архивная (ретроспективная) технологическая база данных позволяет разработать рекомендации по управлению средствами диагностики и контроля, периодичности контроля, определению мест и участков усиленного контроля, определению участков, требующих первоочередного технического обслуживания или текущего ремонта, выявлению необходимых условий для обеспечения электрохимической защиты трубопровода от коррозии, оптимизации режимов УКЗ в реальном масштабе времени и др.

Исходя из архитектуры системы ЭХЗ и состава решаемых задач, согласно которым необходимо организовать на нижнем уровне АС ЭХЗ автоматический сбор, обработку и архивацию информации о защитных параметрах, было принято решение использовать SCADA-систему в качестве базового программного обеспечения для построения подсистемы решения оперативных задач. 

Выбор был сделан в пользу Trace Mode, в первую очередь, по ценовому критерию, наличию развитых средств визуального представления информации, возможностью встраивания пользовательских ActiveX-компонентов, а также возможности получения постоянной технической поддержки непосредственно от фирмы “АдАстра” и ее представителей в Украине. Критерий обмена данными, который выражался в поддержке Trace Mode GSM-технологий связи, не оказывал особого влияния, поскольку специалистами ООО “Unis trans” ранее уже были разработаны собственные специализированные средства.

Использование Trace Mode позволило значительно сократить финансовые средства на разработку АС ЭХЗ “Икар” ввиду их ограниченности в рамках пилотного проекта, реализация которого проходила в Национальной акционерной компании “Нефтегаз Украина” дочерней компании “Укртрансгаз”, а также сэкономить время и труд программистов для усиления программного обеспечения административного уровня и интеллектуальной поддержки всех уровней АС ЭХЗ.

На рис. 2 представлена мнемосхема для отдельного участка газопровода. На мнемосхеме показан схематический план расположения МГ, который разделен на контрольные цепи в соответствии с установленными УКЗ. На этом экране отображается обобщенная информация по всем УКЗ, установленным на участке газопровода.

На рис. 3 показана мнемосхема оперативного контроля и дистанционного регулирования параметров УКЗ. На данной мнемосхеме отображаются значения следующих параметров: защитного тока и напряжения УКЗ, защитных потенциалов с СЭС, полученных от БДКР, а также рассчитанные значения мощности, загруженности по току, загруженности по мощности, рекомендуемые максимальные и минимальные предельные значения защитного потенциала.

Эти же параметры можно наблюдать в графическом виде. С экрана осуществляется выдача команд управления на БДКР для регулирования параметров защиты: тока (напряжения) УКЗ или потенциала “труба-земля” на СЭС.

Основным режимом диалогового взаимодействия пользователей с АС ЭХЗ является режим поддержки принятия и исполнения решений при выработке диагноза и общих рекомендаций (рис. 4).

Интеграция СППИР в Trace Mode осуществляется с использованием технологии ActiveX и спецификации TMX, которая позволяет получить легкий доступ к базе каналов проекта автоматизации. СППИР используется для поддержки принятия решений ряда конкретных задач по диагностике, мониторингу коррозии газопровода, мониторингу и управлению средствами ЭХЗ и других, например: диагностика и мониторинг коррозии газопровода; мониторинг и выработка рекомендаций по управлению средствами ЭХЗ; определение диапазона значений защитного потенциала и т.п.

Для каждой из задач разработаны соответствующие модели знаний, которые отражают закономерности, нормативную базу и опыт решения данных задач. Использование СППИР осуществляется в трех режимах: автоматическом, вопросно-ответном (диалоговом), алгоритмы действий. В вопросно-ответном режиме оператор может получить ответ на естественном языке на любые заданные системе вопросы из предлагаемого списка по каждой из задач. В диалоговом режиме могут быть получены диагнозы, сформированы рекомендации, выданы экстренные сообщения.

В автоматическом режиме логический вывод запускается автоматически с заданным периодом по выбранным пользователем вопросам (запросам), формируя таким образом отчет.

Поддержка исполнения решений СППИР реализована в режиме алгоритма действий, в котором система в зависимости от возникшей ситуации (например, нештатной) предлагает пользователю алгоритм соответствующих действий, “ведет” его по этапам реализации, осуществляя необходимую информационную и интеллектуальную поддержку решений, заключающуюся в оперативной выдаче необходимой информации и запуску расчетных и логико-аналитических задач. Фактически СППИР синтезирует алгоритм решения задачи в каждой конкретной ситуации, на основе анализа реальных данных.

Кроме того, СППИР имеет режим объяснения, в котором выдается исчерпывающая информация о причинах получения данного ответа: фактов и правил, которые были задействованы в процессе логического вывода.

Главным преимуществом СППИР является ее открытость, которая обеспечивает быструю настройку, адаптацию и модификацию системы к новым условиям применения и задачам.

Вид экрана АРМ-Ц АС ЭХЗ показан на рис. 5, где пользователю предоставляется возможность выбирать любую из задач: просмотр и редактирование данных по объектам системы ЭХЗ и данных обследований; просмотр ситуационного плана трассы МГ с привязкой к цифровой карте, используя геоинформационную подсистему; комплексная оценка степени защищенности МГ по различным аспектам анализа; работа с СППИР и др.

Состав комплекса программ АС ЭХЗ для верхних уровней включает:

· подсистему сбора, обработки и отображения информации о результатах дистанционного мониторинга защитных параметров, детальных обследований защитных параметров, состояния изоляционного покрытия, коррозийной агрессивности грунта в потенциально опасных точках и др., для анализа и оценивания состояния защиты объектов МГ от коррозии;

· подсистему поддержки принятия и исполнения решений для системы ЭХЗ;

· подсистему оценивания важности и рисков (опасности) объектов МГ и средств ЭХЗ;

· подсистему планирования и оптимизации выполнения комплексов работ по техническому обслуживанию, ремонту и проектов модернизации объектов МГ.

Подсистема планирования и оптимизации выполнения комплексов работ (рис. 6) обеспечивает реализацию следующих функций: определение комплекса работ и формирование сетевого графика; формирование организационной структуры и состава исполнителей работ; имитационное моделирование сетевого графика с учетом параллельно выполняющихся работ и проектов, а также ограниченности ресурсов (исполнителей, технических средств, финансов); детальный анализ план-графика выполнения работ; формирование фактического профиля финансирования; анализ рисковых работ.

Подсистема оценивания важности и рисков (опасности) объектов МГ (рис. 7) предназначена для формирования классов сравниваемых объектов, определения состава значимых свойств для сравнительной оценки объектов между собой и определения векторов важности свойств и важности (приоритета) сравниваемых объектов.

Первым этапом явилась реализация пилотного проекта АС ЭХЗ для НАК “Нефтегаз Украина” дочерней компании “Укртрансгаз” на базе Боярского ЛПУ МГ (УМГ “Киевтрансгаз”).

Специалистами компании ООО “Unis trans” была произведена установка пяти установок катодной защиты с блоками дистанционного контроля и регулирования. Разработанные автоматические УКЗ “Мрия” удовлетворяют разнообразным условиям эксплуатации магистральных газопроводов и промышленных объектов (рис. 8).

Контроллер БДКР построен на базе процессора C8051F020 (Signal), написание и отладка программ производилась с использованием языка C++ (стандарт IEC 1131-3). Разработка БДКР производилась исходя их требований надежности, компактности и встраиваемости в корпусе УКЗ, а также универсальности для возможности использования для УКЗ других типов. Кроме этого, были развернуты АРМ всех трех уровней с программным обеспечением АС ЭХЗ. За время опытной эксплуатации произведена окончательная отладка комплекса программ оперативного уровня на базе Trace Mode, организовано рабочее место инженера по ЭХЗ ЛПУ МГ “Боярское”, развернуты АРМ в УМГ “Киевтрансгаз” и ДК “Укртрансгаз” с соответствующими программными компонентами АС ЭХЗ.

Внедрение АС ЭХЗ уже на данном этапе позволило достичь эффективности в решении важных задач мониторинга, диагностики и прогнозирования коррозийного состояния газопроводов с целью повышения их эксплуатационной надежности за счет новых технических и программных средств. 

В работе предложен подход, который основан на интеллектуальных информационных технологиях и позволяет существенно расширить возможности SCADA-системы Trace Mode. Существенным отличием предлагаемого нового направления является “интеллектуализация” SCADA-системы Trace Mode путем ее интеграции с интеллектуальной системой поддержки принятия и исполнения решений, включающей базу знаний и модуль логического вывода.

Она организует удобный диалог SCADA-системы с пользователем на естественном языке, обеспечивает решение задач анализа, диагностики, оценивания и распознавания ситуаций, прогнозирование развития событий, формирование рекомендаций и советов, помогает выбрать наилучшие решения в зависимости от возникшей ситуации, сопровождает этапы реализации решений, формирует управляющие воздействия, корректируя тем самым ход технологического процесса и оптимизируя его параметры по заданным критериям.

Реализованная как ActiveX компонент СППИР может встраиваться в любой проект Trace Mode, а гибкая открытая архитектура системы обеспечивает быструю настройку, адаптацию и модификацию к новым задачам и условиям эксплуатации в различных предметных областях. Примененный подход позволяет не просто создать обособленную экспертную систему обработки данных технологического процесса, а интегрировать компоненты интеллектуального анализа и логического вывода в любую существующую или проектируемую систему управления. Преимущества использования данного подхода были продемонстрированы на примере реализации проекта автоматизированной системы электрохимической защиты магистральных газопроводов ДК “Укртрансгаз”.

Надеемся, что данная перспективная разработка будет интересна и компании “АдАстра”, которая поддерживает концепцию постоянного развития и совершенствования своей SCADA-системы, так и разработчикам систем управления, для реализации своих задач на новом уровне. 

ООО "Unis trans"

Береза А.С., к.т.н., доцент, технический директор,

Прохоров В.П., к.т.н., с.н.с., начальник отдела АСУ ТП,

Прохоров А.В., к.т.н., начальник отдела информационных и управляющих систем,

Крохмаль А.Е., начальник отдела маркетинга,

тел./факс: (044) 569-40-99, E-mail: unis-trans@ukr.net.