Информационно-аналитическая система для контроля и управления качеством продукции первичной переработки нефти

УДК 004.4'244

До Мань Хунг, С.А. Жигунов, П.Г. Михайлова, А.Ф. Егоров

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ

КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ ПЕРВИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ

Представлены результаты разработки информационно-аналитической системы для контроля и управления качеством продукции первичной переработки нефти. Предложена структурная схема системы, описан ее состав и функции отдельных подсистем.

The results of development of information-analytical system for monitoring and quality control of products of primary processing of crude oil. A block diagram of the system is described and its composition and functions of the individual subsystems.

Для предупреждения влияния случайных и субъективных факторов на уровень качества продукции необходима система управления качеством, обеспечивающая совокупность принимаемых решений и управляющих воздействий на процесс создания продукта с целью поддержания соответствующего уровня качества.

Объектом исследования в данной работе является электрообессоливающая атмосферно-вакуумная установка ЭЛОУ-АВТ-6 Московского нефтеперерабатывающего завода, предназначенная для переработки сырой нефти с целью получения продуктов первичной перегонки.

Для контроля и управления качеством продукции первичной переработки нефти предложена структура информационно-аналитической системы (ИАС), представленная на рисунке 1. Она включает в себя следующие подсистемы:

- сбора и хранения данных;

- анализа технологических процессов;

- контроля качества;

- анализа и управления качеством.

Данные о состоянии технологических параметров процесса поступают в SCADA-систему (SupervisoryControlAndDataAcquisition - диспетчерское управление и сбор данных), основными функциями которой являются:

- сбор данных о контролируемом технологическом процессе;

- управление технологическим процессом, реализуемое оператором-технологом на основе собранных данных и алгоритмов, выполнение которых обеспечивает наибольшую эффективность и безопасность технологического процесса.

В состав подсистемы сбора и храненияданных входят следующие базы данных (БД):

- реального времени SCADA-системы;

- по результатам лабораторных анализов;

- по нормативной и нормативно-технической документации (ГОСТы, ТУ, ОСТ и т.п.);

Управл енч еские решения

- о состоянии технологического оборудования.

Рис. 1. Структура информационно-аналитической системы контроля и управления качеством продукции первичной переработки нефти

Управляющие 80 здействия

БД реального времени SCADA-системы содержит текущие значения измеряемых параметров; скорости изменения каждого параметра и регламентные значения технологических параметров процессов.

В БД лабораторных анализов находятся данные по результатам анализов сырья, полупродуктов и продуктов, а также значениях показателей качества, определяемых нормативными документами.

Подсистема контроля качества реализуется в виде лабораторной информационной менеджмент системы (ЛИМС), в которой регистрируются. образцы (пробы) сырья, продуктов и полупродуктов. По результатам проведенных испытаний (анализов) в ЛИМС осуществляются:

- контроль качества (полученные результаты анализов сравниваются с данными из нормативных документов);

- статистическая обработка данных с использованием различных методов - контрольных карт и диаграмм рассеивания;

- выдача отчетов, паспортов качества, сертификатов.

Оперативно обеспечивая операторов аналитической информацией,

ЛИМС позволяет им своевременно корректировать процесс производства продукции в соответствии с заданными параметрами.

Данные по показателям качества продукции (результатам анализов) из БД ЛИМС и результаты прогнозирования состояния ХТП, оборудования, АСУ ТП из подсистемы анализа технологических процессов, поступают в подсистему анализа и управления качеством, которая включает в себя блок анализа причин снижения качества продукции, экспертную систему (ЭС) управления качеством, MES-систему (ManufacturingExecutionSystem) - система управления производственными процессами).

В блоке анализа причин снижения качества продукции осуществляется анализ и идентификация возможных причин (факторов) снижения качества с использованием соответствующих моделей и алгоритмов с учетом состояния ХТП, оборудования, АСУ ТП.

На основе полученных данных ЭС управления качеством выдает рекомендации по устранению причин снижения качества, изменению параметров ХТП, организационно-технические и организационно-

административные управляющие решения.

Для того, чтобы обеспечить выпуск продукции заданного качества в объемах и в сроки, определенные производственными планами также необходима информация о показателях качества сырья, полупродуктов и продуктов, а также возможных причинах отклонения показателей качества от регламентированных. Для решения этих задач используются MES-системы.

MES-системы (системы управления производством) оперируют информацией об исходном сырье, о промежуточных стадиях производства продукта и о готовом продукте, чтобы оперативно отслеживать ход технологического процесса и вносить коррективы в производственные планы и режимы работы технологического оборудования.

Информация из подсистемы анализа и управления качеством используется ERP-системой (Enterprise Resource Planning - планирование ресурсов предприятия) для решения следующих задач (см. рис. 1):

- контроля качества исходного сырья и готовой продукции;

- ведения технологических спецификаций, определяющих состав производимой продукции, а также материальные ресурсы и операции, необходимые для её изготовления;

- планирования и оптимизации производства.

Рекомендации по управлению качеством продукции из подсистемы анализа и управления качеством поступают в цеха к производственному персоналу технологического процесса, на уровне которого принимаются следующие решения:

- по управлению ХТП и корректировке технологических параметров (посредством БСАБА-систем);

- по организации производственного процесса.

Также информация о качестве выпускаемой продукции, причинах его снижения и рекомендации по управлению качеством используется инженерными службами предприятия, на уровне которых решаются вопросы, связанные с:

- требованиями к входному и выходному контролю;

- выделением альтернативных решений по управлению качеством;

- анализом нарушений;

- требованиям к КИПиА.

Полная информация из ИАС контроля и управления качеством продукции доступна высшему руководящему звену предприятия, принимающему решения по:

- изменению требований к качеству;

- модернизации процессов;

- изменению планов выпуска продукции;

- изменения продукции (ассортимента);

- организации мероприятий по управлению.

Одним из элементов разрабатываемой информационноаналитической системы для контроля и управления качеством продукции первичной переработки нефти является ЛИМС.

В [1] приводятся результаты разработки ЛИМС контроля качества нефтепродукции, получаемой на электрообессоливающей атмосферновакуумной установке (ЭЛОУ-АВТ-6) первичной переработки нефти. Данная система обеспечивает выполнение следующих задач:

- регистрации и идентификации образцов;

- ручного или автоматического (из спецификаций) назначения анализов на образец;

- ручного ввода результатов анализов для разных образцов;

- пересчета единиц измерения;

- проверки введенных результатов испытаний на соответствие диапазону допустимых значений согласно нормативным документам (спецификации);

- автоматического расчета показателей качества;

- возможности просмотра результатов, их утверждения или отклонения;

- формирования из полученного массива данных отчета об отклонениях различных показателей качества от нормы с использованием статистических методов (например, контрольных карт Шухарта);

- формирования различных форм отчетов (паспортов качества, протоколов испытаний).

В системе организовано разграничение прав пользователей.

Для её создания использовался программный комплекс LabWare LIMS V6 компании LabWare [2], дополнительный модуль М0094 QualityA-nalystlnterface позволяющий строить контрольные карты Шухарта, Crystal Reports - профессиональное средство для разработки отчетов к различным источникам данных.

Для решения задач управления качеством проведен анализ установки ЭЛОУ-АВТ-6 как объекта управления, который позволил выявить основные показатели качества продукции первичной переработки нефти.

Одним из важнейших показателей является фракционный состав, т.е. совокупность выхода (в процентах по массе или объему) отдельных фракций, выкипающих в определенных температурных диапазонах [3]. Он характеризуется температурами начала и конца кипения. Практически все остальные показатели качества в той или иной степени зависят от фракционного состава.

На основе анализа технологического регламента установки и литературы по нефтепереработке [4] определены основные управляющие воздействия для обеспечения заданного фракционного состава продуктов, получаемых в процессе атмосферной ректификации частично отбензиненной нефти (керосиновых (120-180 °С, 150-250 °С), дизельных 240-290 °С, 290350 °С) фракций, мазута).

Так как данные о качестве фракций поступают из испытательной лаборатории с заметным опозданием, то оперативное управление качеством выпускаемой продукции невозможно. Для оперативного прогнозирования показателей качества (фракционного состава) в данной работе предлагается использовать аппарат искусственных нейронных сетей (ИНС).

Для этой цели выбрана ИНС прямого распространения, имеющая 4 входа, 2 выхода и один скрытый слой. На вход сети подаются значения изменения управляющих воздействий. Например, для фракции 120-180 °С -это изменения расходов: перегретого пара, подаваемого в атмосферную колонну К-2 (A F^p. к-2); острого орошения колонны К-2 (А Ростр.ороШ.); первого циркуляционного орошения, подаваемого под отбор фракции 120-180 °С в колонне К-2 (AFi цО); перегретого пара в отпарной колонне К-6 (AF^. к-б). На выходе прогнозируются значения температур начала (Тн к.) и конца кипения (Тк.к.) фракции 120-180 °С (см. рис. 2).

Эти значения сравниваются с заданными (Тн к.зад, Тк к.зад), и величины рассогласования (АТн.к., АТк к.) подаются на вход регулятора на основе нечеткой логики. Нечеткий регулятор вычисляет значения изменений управляющих воздействий, которые затем подаются на объект управления (см. рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема системы управления качеством керосиновой фракции, выкипающей в интервале 120-180 °С

Преимущество подхода нечеткой логики перед классическим подходом при использовании их в системах управления заключается в том, что он может применяться в случае, если отсутствует, либо является неприемлемо сложным формализованное описание объекта управления. Во многих случаях достаточно только профессионального описаниятого, как процессом управляет опытный оператор, в то время как при классическом подходе необходимы как аналитическое описание самого процесса в виде математической модели, так и системы управления им [5].

Разрабатываемая система управления и ИАС контроля и управления позволит решать задачи управления качеством, а также планирования и оптимизации производства в соответствии с требованиями к выпускаемой продукции.

Библиографические ссылки

1. Бутылин Е.В. Разработка лабораторной информационной системы контроля качества нефтепродуктов / Е. В Бутылин, П. Г. Михайлова // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр., Т. XXV, № 1 (117). - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2011. - С. 61-66.

2. Сайт компании LabWare [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.labware.ru/about-lw-lims.html (дата обращения: 05.05.2012).

3. Григорьев Б. А. Теплофизические свойства нефти, нефтепродуктов, газовых конденсатов и их фракций / Б. А. Григорьев, Г. Ф. Богатов, А. А. Герасимов; под ред. Б. А. Григорьева. - М.: Издательство МЭИ, 1999. - 372 с.

4. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа: учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. - М.: Химия, 2001. - 568 с.

5. Мелихов А.Н. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой / А. Н. Мелихов, Л. С. Берштейн, С. Я. Коровин. - М.: Наука. Гл. ред. физмат. лит., 1990. - 272 с.