МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ НАФТИ І ГАЗУ

КУЧМИСТЕНКО ОЛЕКСАНДР ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 681.518.52:622.692.4

МЕТОД КОНТРОЛЮ ЗА ВИТОКАМИ І

НЕСАНКЦІОНОВАНИМИ ВІДБОРАМИ НАФТИ

З МАГІСТРАЛЬНИХ НАФТОПРОВОДІВ

05.11.13 – прилади і методи контролю

та визначення складу речовин

Автореферат

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Івано-Франківськ – 2006 р.

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

Копей Богдан Володимирович,

Івано-Франківський національний технічний

університет нафти і газу,

професор кафедри нафтогазового обладнання

кандидат технічних наук

Молодецький Ігор Анатолійович,

науково-виробнича фірма Зонд,

м. Івано-Франківськ ,

заступник директора

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України , кафедра

метрології, стандартизації та сертифікації, м.Львів

Захист відбудеться “ 23 ” 06 2006р. о 1400 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 20.052.03 в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу (76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15).

Автореферат розіслано “ ” 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д20.052.03,

кандидат технічних наук, доцент Дранчук М.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Україна з її зручним географічним положенням відіграє важливу роль як з’єднувальна ланка між нафтовидобувними державами Каспійського регіону і найважливішими європейськими ринками. Проте складне економічне становище України породило таке явище як розкрадання нафтопродуктів з нафтопроводів. Несанкціоновані відбори нафти з магістральних нафтопроводів (МН) наносять економічні збитки підприємствам, зривають поставки нафти до споживачів, підривають престиж галузі, а у випадках витікання нафти призводять до екологічних забруднень навколишнього середовища. Тому питання захисту нафтопроводу від несанкціонованих відборів нафти є актуальним на сьогодні.

Автоматичний контроль та прийняття рішень в управлінні складним об’єктом в умовах невизначеності, зокрема визначення місць витікань і несанкціонованих відборів, у подальшому (відборів) нафти, в процесі експлуатації МН при різних режимах перекачування пов’язаний з прийняттям рішень в умовах нестаціонарності і нелінійності змін основних параметрів перекачування – тиску і витрати. Найважливішим завданням підвищення якості контролю в ході визначення часу і місця відборів нафти – є постійний моніторинг технічного стану МН з метою виявлення відборів, а у разі їх виявлення, скорочення часу на визначення місця відбору і на прийняття рішення.

Питання раннього визначення місця і часу відборів нафти з МН в автоматичному режимі залишалось маловивченим і недостатньо розробленим, оскільки має місце апріорна і апостеріорна невизначеність, яка зумовлена ймовірністю, невизначеністю часу і місця та параметрів отворів змінних тисків і витрат. Використання відомих методів, які базуються на детермінованих моделях, не дає змогу ефективно здійснювати раннє виявлення відборів нафти з МН, оскільки виявлення таких випадків відбувається за різних умов протікання цих ускладнень і без урахування зміни режимів роботи нафтопроводів.

Проте ефективне поєднання класичних методів контролю з методами теорії нечітких множин та нечіткої логіки дає можливість формувати лінгвістичні моделі складноформалізованих процесів, а також забезпечувати формування управляючих сигналів, адекватних процесам прийняття рішень експертом.

Зусиллями українських та іноземних вчених В.І. Архангельського, І.М. Богаєнка, Е.В. Бодянського, В.І. Гостєва, Г.Г. Грабовського, Ю.П. Кондратенка, А.П. Ладанюка, А.О. Лозинського, О.П. Ротштейна, О.Ю. Соколова, М.О. Рюмшина, Р.А. Алієва, R. Hampel, M. Wagenкnecht, A.B. Язеніна, M. Mamdani, M. Sugeno, T. Takagi, L. Zadeh та інших розв’язано багато задач з теоретичним обґрунтуванням застосування нечіткої логіки для вирішення проблем контролю і управління.

Разом з тим, залишаються відкритими питання розробки точного методу контролю, який би забезпечував прискорення розрахунків для виявлення факту відбору, а також визначення місця відбору нафти з МН та прийняття рішень за експертними даними.

З урахуванням особливостей процесу транспортування нафти по МН, а також необхідності контролю і раннього визначення місця та часу відбору нафти, розробленя методу контролю за витіканнями і несанкціонованими відборами нафти з магістральних нафтопроводів з використанням основних положень теорії нечітких множин і нечіткої логіки є актуальним і доцільним. Це дасть змогу значно підвищити екологічну безпеку, безпеку життєдіяльності, надійність та економічну ефективність технологічних процесів транспортування нафти МН, що функціонують за умов невизначеності.

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). Дисертаційна робота виконувалася автором відповідно до основного наукового напрямку діяльності кафедри автоматизації технологічних процесів і моніторингу в екології ІФНТУНГ. Тематика роботи є частиною планових державних науково-дослідних програм із розвитку нафтогазового комплексу України та базується на результатах держбюджетних тем Д4-01-Ф “Наукові основи контролю, управління і екологічного моніторингу об’єктами нафтогазового комплексу України” (ДР № 0101U001664), “Аналіз і синтез автоматизованих систем керування технологічними процесами буріння, видобутку, транспортування і переробки нафти і газу” (затв. Науковою радою ІФНТУНГ 20.11.2000 р., пр.№4), “Автоматизоване управління технологічними процесами буріння, видобування, транспортування, зберігання і переробки нафти і газу” (затв. Науковою радою ІФНТУНГ 04.10.04 р., пр. № 8), які входять в координаційний план „Наукові основи розробки 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”.

У названих вище темах НДР автор був безпосереднім виконавцем розділів робіт з розроблення методів і засобів автоматизованого контролю за витіканнями і несанкціонованими відборами нафти з магістральних нафтопроводів.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробленні методу та засобів автоматизованого контролю за витіканнями і несанкціонованими відборами нафти з магістральних нафтопроводів, які відбуваються за умов апріорної та поточної невизначеності.

Досягнення вказаної мети забезпечується в дисертаційній роботі шляхом розв’язання наступних задач:*

аналіз сучасного стану проблеми оперативного виявлення місць і часу відборів нафти з МН та особливості процесів контролю технічного стану МН при відборах нафти;*

розроблення інформаційної моделі процесу відбору нафти з МН;*

розроблення логіко-лінгвістичної моделі процесів витікань і несанкціонованих відборів нафти з МН, які виникають під час експлуатація за умов апріорної та поточної невизначеності;*

обгрунтування методу прискорення розрахунків для виявлення факту відбору нафти, а також визначення його місця; *

формалізація постановки задачі автоматизованого контролю за відборами нафти з МН, виходячи зі специфіки задачі контролю та з урахуванням нестаціонарного характеру процесів відборів нафти;*

розроблення методу контролю за відборами нафти з МН на основі методів нечіткої логіки і теорії нечітких множин;*

розроблення архітектури системи автоматизованого контролю (САК) для визначення місця і часу відборів нафти з МН у реальному часі, складання алгоритму ідентифікації пошкодженнь МН та програмних засобів забезпечення САК, а також проведення апробації розробленого методу в промислових умовах.

Об’єктом дослідження є магістральні нафтопроводи, які функціонують за умов невизначеності щодо параметрів місця і часу витікання та несанкціонованих відборів нафти.

Предметом дослідження є моделі, методи і засоби автоматизованого контролю параметрів, що визначають технічний стан магістрального нафтопроводу.

Методи дослідження. Для вирішення поставленої в роботі мети проведені теоретичні дослідження з використанням методів теорії нечітких множин і нечіткої логіки в процесі розроблення логіко-лінгвістичних моделей прийняття рішень про стан аварійності МН; методів експертних оцінок під час вибору нечітких параметрів, які входять в алгоритм контролю; методів математичної статистики в ході дослідження взаємозв’язків і показників транспортування нафти; методів імітаційного моделювання при досліджені розробленого методу контролю. У процесі розроблення технічних засобів використовувались методи схемо- та системотехніки. Оцінка ефективності одержаних результатів проводилась шляхом їх перевірки на МН “Самара-Лисичанськ”.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше: *

розроблено інформаційну модель процесу відбирання нафти з МН, яка відображає причино-наслідкові зв’язки технічних параметрів зі змінами технічного стану нафтопроводу і є основою використання оперативного контролю з метою вирішення проблеми раннього виявлення витікань і відборів нафти з МН; *

запропоновані і розроблені логіко-лінгвістичні моделі, побудовані на нечітких правилах – продукціях, що доповнюють інформаційну модель, яка дає змогу диспетчеру з транспортування нафти приймати ефективні рішення щодо виявлення факту несанкціонованого відбору нафти; *

обгрунтовано метод прискорення розрахунків для виявлення факту відбору нафти, а також визначення його місця, який полягає у тому, що обчислення здійснюються на апроксимаційній нечіткій моделі типу Мамдані замість існуючих складних детермінованих моделей, що дає можливість скоротити час на виявлення місця відбору нафти з МН; *

розроблено метод контролю за відборами нафти з МН, що відбуваються за умов апріорної та поточної невизначеності, який, на відміну від існуючих методів, базується на розроблених логіко-лінгвістичних моделях прийняття рішень та на результатах аналізу несанкціонованих відборів нафти, що відбувались на підприємстві “Придніпровські магістральні нафтопроводи”. Метод дає можливість скоротити час на виявлення місця відбору, збільшити вірогідність прийняття правильного рішення стосовно ліквідації аварії, суттєво підвищити точність місця відбору, що одночасно підвищує ступінь захисту навколишнього середовища від можливих витікань нафти;

дістав подальшого розвитку *

формальний опис усіх компонентів постановки задачі автоматизованого контролю за відборами нафти з МН, формалізованих, (виходячи зі специфіки задачі контролю), на базі створеної математичної моделі з урахуванням нестаціонарного характеру процесів відбирання нафти з магістральних нафтопроводів, що дало можливість синтезувати структуру системи автоматизованого контролю за несанкціонованими відборами нафти.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблені моделі і методи дають можливість враховувати експертний досвід для виявлення несанкціонованих відборів нафти з МН і використовувати розроблені моделі для знаходження місця аварії на нафтопроводі, що підвищує ефективність експлуатації нафтопроводу за рахунок зменшення часу на ліквідацію аварійного витікання нафти з нафтопроводу, а також скорочення часу реагування на несанкціоновані відбори.

Результати дисертаційної роботи:*

прийняті до впровадження на підприємстві “Придніпровські магістральні нафтопроводи” (Акт від 16.12.2004р.);*

впроваджені в навчальний процес кафедри автоматизації технологічних процесів і моніторингу в екології ІФНТУНГ (Акт від 27.05.2005р.) для студентів спеціальності 7.092501 – автоматизоване управління технологічними процесами.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи, які виносяться на захист, одержані автором особисто. У роботах, написаних у співавторстві, здобувачу належить: у роботі [1] – розробка нечіткої моделі Мамдані-типу для процесів насанкціонованих відборів і витікань нафти з магістральних нафтопроводів; [2] – постановка і формалізація задачі контролю, структура системи контролю; [6] – розробка системи контролю з нечіткою логікою; [7] – вибір методу моделювання, дослідження точності моделювання, інтерпритація результатів досліджень; [9] – розробка структури системи керування тиску на основі методів нечіткої логіки; [10] – розробка інформаційної системи контролю; [12] – розробка структури пристрою контролю; [14] – обгрунтування нового підходу до удосконалення системи контролю.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і одержали позитивну оцінку на: міжнародній науково-практичній конференції „Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні технології” (Чернівці 2004 р.) [10]; міжнародній науково-практичній конференції „Динаміка наукових досліджень” (Дніпропетровськ 2004 р.) [12]; 11-й міжнародній конференції з автоматичного управління „Автоматика-2004” (Київ 2004 р.) [11]; Всеукраїнській науково-технічній конференції “Проблеми автоматики та електрообладнання транспортних засобів (м. Миколаїв 2004 р.) [4]; науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу університету (Івано-Франківськ 2001-2002 рр.) [13, 14].

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 14 публікаціях, у тому числі в 8 наукових працях [1-8] у виданнях, що входять до переліків ВАК України (4 одноосібних), 1 опублікованій доповіді [9], та 5 тезах [10-14] міжнародних, Всеукраїнських та університетських науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, основних висновків і рекомендацій, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи становить 187 сторінок і включає 54 рисунки на 19 сторінках, 9 таблиць на 4 сторінках, список використаних літературних джерел із 147 найменувань і 7 додатків на 14 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянуто стан наукової проблеми та її значущість, обґрунтовано актуальність завдання, показано зв’язок з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету та основні задачі вибраного напрямку дослідження, подано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, визначено особистий внесок здобувача та наведено дані про впровадження результатів роботи, її апробацію та публікації.

Перший розділ охоплює питання аналізу основних режимів функціонування магістрального нафтопроводу (МН), існуючих систем технологічного контролю та визначення місця і часу витікань, або несанкціонованих відборів нафти з МН за умов апріорної та поточної невизначеності щодо природи, місця та величини витікань або відборів нафти. Детально проаналізовано математичні моделі елементів МН і неусталених режимів роботи МН, а також сучасні методи раннього виявлення місця і часу відборів нафти та зроблено висновок про доцільність удосконалення методу контролю за відборами нафти на основі методів нечіткої логіки.

Розглянуто і проаналізовано існуючі системи автоматизованого контролю за витіканнями нафти з МН, які розраховані для роботи на ділянках трубопроводу довжиною до 300 км, але які не забезпечують швидкого і точного виявлення місць відборів нафти, особливо в динамічних режимах витікання нафти через отвори в трубопроводі діаметрами ? 20 мм. САК через певні регулярні інтервали часу одержує дані про технологічні параметри нафтопроводу із системи SCADA для подальшого оброблення. Для того, щоб повністю забезпечити відповідну підтримку динамічної моделі трубопроводу, всі дані про тиски і витрати поновлюються через кожні 1-5 с протягом від 2 до 20 хвилин, залежно від величини відбору чи витікання, відбуваються обчислення і визначення місця аварії. Тому все гостріше постає питання ранньої діагностики і контролю за відборами нафти, що характеризуються незначною зміною таких параметрів, як тиск і витрата. Внаслідок шумів у каналах вимірювання тиску та великому часі опитування давачів лінійних контрольних пунктів (КП) дуже важко налаштувати математичну модель для роботи з малими витіканнями і відборами. Також виникають проблеми в обчисленні.

Показано, що одним зі шляхів зниження інформаційної складності існуючих методів визначення місця і часу відборів є використання спрощених апроксимаційних моделей. З урахуванням відомих підходів до визначення місця і часу відборів нафти з МН було вибрано підхід для удосконалення методу контролю за витіканнями і несанкціонованими відборами нафти з МН на базі нечітких апроксимаційних моделей, які дають можливість суттєво скоротити розрахунки та прискорити час на розв’язання задач апроксимації і, отже, скоротити час на виявлення місця відбору нафти з МН.

Другий розділ роботи присвячено детальним дослідженням властивостей контрольованого об’єкта і розробленню методу контролю за витіканнями і несанкціонованими відборами нафти з МН, який полягає в тому, що для забезпечення проведення складних обчислень розроблена апроксимаційна нечітка модель Мамдані-типу замість існуючих детермінованих моделей, що дає змогу скоротити час на визначення місця і часу відборів нафти з МН та на прийняття раціонального рішення з ліквідації аварії, збільшити точність розрахунків місця відбору нафти з МН. За основу розробки методу контролю прийнято один із сучасних підходів у математиці, який базується на використанні нечіткої логіки та нечітких апроксимаційних моделей.

Стан магістрального нафтопроводу як об’єкта контролю з витіканнями в будь-який момент часу запропоновано характеризувати параметрами його стану Z(t)=Z[ДPi(до)(t), ДPi(після)(t)], де ДPi(до)(t) – відхилення вимірювального тиску нафти відносно взірцеврго, який вимірюється на і-му КП телемеханіки, а саме перед КП; ДPi(після)(t) – відхилення вимірювального тиску нафти відносно взірцеврго, який вимірюється на і-му КП телемеханіки, а саме після КП.

З множини зовнішніх впливів, які діють на МН, вибрані лише ті, які суттєво впливають на стан МН: вхідні впливи Х(t)=Х[Pi(до)(t), Pi(після)(t), РНПС(t)] і параметри об’єкта Q=[ов, Fв, д], від яких залежать параметри стану МН.

Тут Pi(до)(t) – тиск нафти, що вимірюється на і-тому КП телемеханіки перед КП, Pi(після)(t) – тиск нафти, що вимірюється на і-тому КП телемеханіки після КП, РНПС(t) – тиск, що вимірюється на нафтоперекачувальних станціях (НПС), а саме на всмоктуванні і нагнітанні ділянки МН; Fв – площа перерізу отвору витікання або відбору; ов – коефіцієнт витрати; д – параметри системи автоматичного контролю (САК) середнього рівня, що характеризують несанкціонований відбір чи витікання. Параметри стану МН Zi(t) пов’язані з вхідними впливами Х(t) і параметрами об’єкта Q залежністю Zi(t)=Ni[X(t), Q, t], і=1, 2. Вплив стану МН на інші показники процесу перекачування нафти характеризуються значеннями його вихідних величин У(t) – рівня аварійності під час відбирання нафти з МН на і-му КП телемеханіки Аi(t), і часу початку відбирання нафти з МН на і-му КП телемеханіки Тi(t), тобто У(t)=[Аi(t), Тi(t)]. Кожна з вихідних величин визначається через параметри стану Z(t) своєю функціональною залежністю Уj(t)=Kj[Z(t), t], j=1, 2.

Для правильного вибору контрольованих величин визначили варіант задачі контролю за відборами нафти з МН. У зв’язку з тим, що відбори і несанкціоновані витікання нафти з МН є випадковими, апріорно невизначеними і відбуваються через отвори з невідомими місцем і часом появи, а також площиною перерізу отвору і між точками простору параметрів стану і простору спостереження немає однозначної відповідності, цей варіант контролю відповідає визначенню подій в умовах апріорної та поточної невизначеності контрольованого об’єкта.

Запропоновано структуру досліджуваних функцій визначити з математичної моделі витікання нафти з МН:

(1)

де - зображення за Лапласом відносних змін масової витрати в нафтопроводі до і після місця витікання; - зображення за Лапласом відносних змін тиску в нафтопроводі до і після місця витікання; - номінальні значення масової витрати і тиску в тому місці нафтопроводу, де відбувається витікання нафти; - абсолютні зміни тиску в нафтопроводі до і після місця витікання; - абсолютні зміни масової витрати в нафтопроводі до і після місця витікання; - зображення за Лапласом відносної зміни масової витрати через отвір під час витікання нафти; - абсолютна зміна масової витрати через отвір під час витікання нафти.

Показано, що масова витрата нафти через отвір у МН визначається за формулою

(2)

де - коефіцієнт витрати; Fв - площа перерізу отвору в місці витікання; P1, Pос - абсолютні тиски в МН до отвору і оточуючому середовищі відповідно; с - густина нафти; - прискорення сили тяжіння.

Після лінеаризації рівняння (2) за Тейлором і переходу до відхилень одержали:

(3)

де - зображення за Лапласом відносної зміни тиску до отвору; - коефіцієнт лінеаризації, який залежить від площі перерізу отвору під час витікання , густини нафти , абсолютного тиску оточуючого середовища Poc, коефіцієнта витрати , температури та інших параметрів. Оскільки відхилення ?P1 = P1 – (P1)0 малі, то нелінійними членами ряду Тейлора знехтували і рівняння (3) вважали лінійним відносно ?P1.

Запропоновано математичну модель витікання нафти з МН

, (4)

яка дає змогу дослідити цей процес з урахуванням таких технологічних обмежень:*

зміна тиску по довжині трубопроводу і в часі P(, t) не повинна перевищувати максимальне значення тиску Pmax, яке визначається міцністю труб нафтопроводу. Одночасно падіння тиску в пунктах відбору нафти підтримується не нижче мінімального значення Pmin, яке визначається з умов надійності постачання нафти. Тому тиск у будь-який момент часу обмежений такими умовами Pmin ? P(, t) ? Pmax;

* для входу нафтоперекачувальної станції справедлива нерівність P(0, t) ? Pmax. Проте спостерігається P(0, t) ? P(, t);

* витрата нафти M(l, t) може змінюватися лише в реальному діапазоні Mmin? M(, t) ?Mmax. Мінімальне значення витрати визначається споживачами нафти.

Було також враховано, що математична модель (4) може бути застосована для розв’язання задач контролю за відборами лише тоді, коли відомі площа перерізу отвору в місці витікання нафти Fв і коефіцієнт витрати ов , які є апріорі невідомими. Окрім того, в діючої АСУ ТП розрахунки щодо визначення місця і часу відборів проводяться на основі аналізу тисків нафти в різних місцях нафтопроводу, а не витрат. Тому для зручності одержання інформації про місце відбору нафти і полегшення інтеграції розроблюваного методу в існуючу АСУ ТП рівняння (2) використано у такому вигляді:

. (5)

Математичну модель (5) запропоновано доповнити лігнвістичним описом процесу відбирання нафти, який базується на досвіді експертів. Для цього розглянуто різні алгоритмічні підходи до удосконалення методу контролю за відборами нафти з МН, зокрема з логічним виведенням Мамдані-типу та Такагі-Сугено-типу.

При цьому враховано, що одним зі шляхів зниження інформаційної складності існуючих алгоритмів контролю є використання спрощених апроксимаційних моделей. Сучасні методи побудови спрощених апроксимаційних моделей, які базуються на моделях нечіткої логіки, дають змогу застосовувати переваги якісного опису природною мовою з високими апроксимаційними властивостями таких моделей.

З урахуванням аналізу відомих підходів до знаходження місць відборів нафти з МН було вибрано підхід для створення методу визначення місця відбору нафти на основі нечітких апроксимаційних моделей, які дають змогу суттєво скоротити розрахунки та прискорити час на розв’язання задач апроксимації і, як висновок, скоротити час на визначення місця відбору нафти з МН.

Базуючись на тенденціях розвитку сучасної теорії контролю і управління та на результатах розв'язку основних проблем технологічного процесу транспортування нафти, у роботі обраний один із двох найбільш розповсюджених типів нечітких моделей – Мамдані, а також проаналізовані параметри лінгвістичних правил, необхідних для побудови нечіткої моделі, кількість терм-множин лінгвістичних змінних, вид і параметри функцій належності терм-множин лінгвістичних змінних, набір вхідних і вихідних змінних для кожного правила.

Розглянуто задачу, яка повинна розв’язуватися системою контролю, а саме – визначення місця відбору нафти з МН, відносно КП телемеханіки з мінімальною абсолютною похибкою :

, де . (6)

Нечітка ситуація з визначення місця відбору нафти з МН може бути ідентифікована і використана для оцінки відстані до місця відбору нафти і рівня аварійності технічного стану нафтопроводу за допомогою логічних правил у формі:

R:IF (A1,…An) THEN (B1,…Bn), (7)

де A1,…An - антецедент; B1,…Bn - консеквент.

Кількість термів, за допомогою яких оцінювали зміни тиску в МН, з урахуванням розмаху цього параметру, прийнята рівною 7: В – “великий”, С – “середній”, М – “малий”, ДМ – “дуже малий”, Мзм – має відхилення тиску в бік зменшення від ДМ, Сзм – середнє відхилення тиску в бік зменшення від ДМ, Взм – велике відхилення тиску в бік зменшення від ДМ. Вимірювані параметри: тиск у нафтопроводі до і після КП в напрямку руху нафти та на виході нафтоперекачувальних станцій. Показник, що визначається в процесі контролю – -----------рівень аварійності RA: Н-норма, ПА – передаварійний, АН – аварійно низький, АВ – аварійно високий.

Проведено лінгвістичний опис процесу відбирання нафти з МН, який є початковою точкою для розроблення відповідної бази правил Мамдані-типу. Правила безпосередньо описують залежність рівня аварійності МН від змін тиску на окремих ділянках нафтопроводу. Загальна форма множини нечітких правил R(k), є такою:

: IF (x1 is A ? x2 is A… ? xп is A) THEN (y1is B? y2 is B… ? ym is B), (8)

де N – кількість нечітких правил; А, В – лінгвістичні терми

А хR , i=1,…, n;

B yj R, j=1,...,m;

х1, х2,..., хп – вхідні змінні лінгвістичної моделі, зокрема

(х, х,…,х)Т=х Х·Х·…·Х;

y1, y2,…ym – вихідні змінні лінгвістичної моделі, зокрема

(y, y,…,y) Т =y Y·Y·…·Y ;

R – множина дійсних чисел.

Символами Хі, і=1,…,n та Yj, j=1,…, m позначені відповідно простори вхідних і вихідних змінних.

Для контрольованого об’єкта запропоновані простори вхідних і вихідних змінних, що містять скінчену множину лінгвістичних термів із трикутними функціями належності. Перевага трикутній функції належності для побудови нечіткої моделі надана тому, що вона потребує лише три параметри для означення, а також тому, що обчислюється швидше інших видів функцій належності – трапецієподібних, сигмоїдальних, гауссоподібних. Функції належності побудовані методом оброблення експертної інформації в програмному середовищі MATLAB (Fuzzy Logic Toolbox).

Для створення нечіткої моделі прийнято, що конкретні правила R(k), k=1,…,N пов’язані між собою логічним оператором АБО і враховано, що виходи y1, y2,…,ym взаємно незалежні. Тому, використані нечіткі правила зі скалярним виходом у формі

: IF (x1 is A ? x2 is A) THEN (y is Bk), (9)

де Bk yj R і k=1,…N.

Отже, лінгвістичну модель відборів нафти з МН сформулювали у вигляді набору лінгвістичних правил з усіма можливими комбінаціями нечітких значень в антецеденті.

Для випадку контролю за відборами нафти з МН на основі двох вхідних змінних (рівні тисків на контрольних пунктах до КПРі(до) і після КПРі(після) місця відбору) й однієї вихідної змінної (рівня аварійності РА) та обраних лінгвістичних термів

(10)

SPA={H,ПА,АН,АВ} (11)

сформульована лінгвістична модель із 16 правил:

R(1) : IF КПРі(до) is ДМ ? КПРі(після) is ДМ THEN RA is H ,

... ... ... ……………………………………………………………. (12)

R(16) : IF КПРі(до) is В ? КПРі(після) is Взм THEN RA is АВ.

Антецеденти правил містять набір умов щодо появи відборів нафти, тоді як консеквенти містять висновки про рівні аварійності нафтопроводу.

Наприклад, R(3) : ЯКЩО “рівень тиску на КПРiy№(до) середній“ І “рівень тиску на КПРiy№(після) середній”, ТО “рівень аварійності нафтопроводу – аварійно низький”. Тут КПРiy№ – лінійний КП, на якому вперше зафіксовано падіння тиску в нафтопроводі, де перекачування здійснюється від НПСі і до НПСy; №– номер кілометра, на якому знаходиться КП.

Повну базу правил наведено в наступній матриці (табл.)

Таблиця

Повна база евристичних правил Мамдані-типу.

Х2 Х1 | ДМ | М | С | В | ДМ | Н | Н | Н | Н | Мзм | Н | ПА | ПА | ПА | Сзм | Н | ПА | АН | АН | Взм | Н | ПА | АН | АВ | Під час розроблення модуля нечіткого контролю за відборами нафти з МН була оцінена достатність кількості нечітких правил, їх несуперечність і наявність кореляції між окремими правилами.

Оскільки система контролю з нечіткою логікою оперує нечіткими множинами, тому для конкретних значень вхідного сигналу модуля нечіткого контролю передбачені операції фазифікації. У результаті такої операції йому співставлена нечітка множина, яка подається на вхід блока створення рішення. Дані для логічного оброблення поступають як від фазифікації, так і від бази правил, тобто від користувача. Дані від фазифікації – обгрунтовані нечіткі діапазони контрольованих величин вхідних змінних. Від користувача дані поступають у вигляді сукупності правил IF–THEN, що працюють з нечіткими даними. Тому, хоч правила і є чіткими, результат можна одержати тільки нечіткий. На виході цього блока з’являється N нечітких множин згідно з узагальненим нечітким правилом modus penens, яке для варіанту контролю за відборами нафти з МН, приймає такий вигляд:

Умова: Х = (х, х,…,х) це

Імплікація: , (13)

Висновок: y це .

Тоді на виході блока створення рішень формується одна нечітка множина з функцією належності . Задача відображення нечіткої множини в єдине значення , яке являє собою результат контролю наявності відбору нафти з МН, вирішується блоком дефазифікації. Оскільки вихідне значення блока створення рішень являє собою єдину нечітку множину , то значення визначили за методом максимума функції належності за формулою , за умови, що – унімодальна функція.

Використовуючи IF-THEN правила, змодельовано зміну рівнів аварійності МН під час відборів нафти за ДРі(до) і ДРі(після), як вхідних змінних. Цифрові дані для розрахунків базуються на результатах контролю і виявлення відборів нафти з МН в умовах підприємств Придніпровські магістральні нафтопроводи. Графік залежності рівня аварійності РА від змін тиску в нафтопроводі до і після місця відбору (ДРі(до), ДРі(після)), що побудований у тривимірному просторі з використанням бази правил Мамдані-типу у програмному середовищі MATLAB (Fuzzy Logic Toolbox), зображено на рисунку 1.

Як бачимо на рисунку 1, поверхня виведення рівня аварійності РА утворюється залежно від величини різниці зміни тисків ДРі(до) і ДРі(після), що є результатом порівняння вимірюваного значення тиску з номінальним. При цьому утворюються чотири поверхні, які характеризують чотири рівня аварійності МН у місці аварії: 1 – норма, 2 – передаварійний, 3 – аварійно низький, 4 – аварійно високий.

Для реалізації даного методу розроблено структурну схему системи контролю за відборами з МН, яку зображено на рисунку 2.

Використання методів нечіткої логіки в системі контролю передбачає формалізацію поставленої задачі контролю (визначення змінних, співвідношення мовного опису з конкретними фізичними значеннями), розроблення бази правил, що визначають стратегію системи контролю (введення початкових правил), оптимізацію розробленої системи контролю (інтерактивний аналіз поведінки системи з використанням промислових даних або за допомогою програмної моделі контрольованого обєкта), реалізацію системи контролю.

У третьому розділі сформульовано задачі і розглянуті можливі варіанти системи автоматизованого контролю за відборами нафти з МН з урахуванням існуючої САК за відборами нафти з МН, що дало можливість створити архітектуру системи контролю (рис. 3), яка реалізує запропонований метод, що дозволяє виявити несанкціоновані відбирання нафти з трубопроводів діаметром 700-1200 мм під час витікань нижчих ніж 2% номінальної масової витрати з похибкою не більше 500 м за час до 5 секунд.

Показано, що для цього способу об’єктом контролю є магістральний нафтопровід з лінійними КП телемеханіки, на яких встановлені давачі тиску. Давачі тиску встановлені як на нагнітанні і всмоктуванні НПС, так і вздовж трубопроводу на КП телемеханіки. Роль перших полягає у тому, щоб виявити технологічні зміни тисків у режимі перекачування і формувати заборону на визначення рівня аварійності на КП телемеханіки до їх закінчення, а роль останніх – відслідковувати зміну тисків на ділянках, прилеглих до КП телемеханіки і, залежно від відхилення рівнів зміни тисків від взірцевих, формувати рівень аварійності на КП. Оскільки на стаціонарному русі нафти по нафтопроводу (режим перекачування або простою нафтопроводу) мають місце малі добові коливання тиску, які є наслідком температурних і технологічних особливостей трубопроводу і далі називаються малим „диханням” нафтопроводу, то для запобігання хибного визначення рівня аварійності на КП телемеханіки застосовується корекція взірцевих значень тисків.

Розглянуто структурну схему підсистеми контролю за роботою САК нижнього рівня АСУ ТП, яка зображена на рисунку 4, де прийняті такі позначення: P – тиск нафти на всмоктуванні чи

нагнітанні нафтопроводу, залежно від місця встановлення (НПС на початку або кінці МН), МПа; ?P – зміна коливань тисків, що підлягає обробленню (зона малого „дихання”), задається під час налаштування системи, МПа; м(Р) – коефіцієнти для фазифікації змінних тисків, що задаються під час налаштування системи; м(С) – коефіцієнти для фазифікації змінної технологічної зміни тисків, що задаються під час налаштування системи; С – рівень технологічної зміни тисків, %; t – час початку технологічної зміни тисків, (год, хв, с); tі – час початку несанкціонованого витікання або відбору на КПі, год,хв.,сек.; ?t – проміжок часу, необхідний для встановлення стаціонарного режиму роботи МН, с; 1 – блок фазифікації значень тиску; 2 – блок корекції тисків на малому „диханні” МН; 3 – блок виявлення технологічної зміни тисків; 4 – блок обчислення точного місця витікання нафти з МН; 5 – блок дефазифікації результатів обчислення; 6 – блок обміну інформацією; L – напрямок до місця витікання відносно КП телемеханіки.

Використано підсистему контролю за роботою САК нижнього рівня, що призначена для оброблення інформації про тиск на початку і в кінці МН і, залежно від виду зміни тиску, формування сигналу блокування роботи підсистеми і визначення рівня аварійності на нафтопроводі. Так вимірюване значення тиску потрапляє у блок фазифікації вхідних сигналів 1, де формується сигнал про рівень зміни тисків у вигляді термів „малий”, „великий”. Параметри фазифікації м(P) можна задати по місцю з панелі введення-виведення, або через пристрій обміну інформацією 6. Також можна задати параметр ?P, що характеризує малі коливання тиску в нафтопроводі. Далі фазифікований сигнал потрапляє у блок обчислень, де у блоці 2 відбувається корекція взірцевого значення тиску на малому „диханні” нафтопроводу, і у блоці 3 формується сигнал блокування роботи підсистеми виявлення відборів нафти на САК нижнього рівня. Блок 4 призначений для визначення, за інформацією з двох найближчих до місця витікання КП, точного місця аварії. Дефазифікація результатів обчислення формується у блоці 5 і за допомогою пристрою обміну інформацією 6 потрапляє на контролери САК нижнього рівня.

Здійснено аналіз впливу зміни структури і параметрів елементів нафтотранспортної системи на її вихідні характеристики, що дало змогу розробити принципову схему захисту водного переходу від несанкціонованого витікання і дослідити зміни тисків до і після лінійних КП телемеханіки після пуску МН в роботу, під час опресовування нафтопроводу, під час оцінювання відхилень вимірюваних значень тисків від записаних у пам'ять контролера. Випробування і імітація несанкціонованих відбирань відбувалися на КП телемеханіки на 986 км нафтопроводу (рис.5).

Були використані такі основні елементи системи:

- давач тиску зі струмовим виходом (4-20 мА) Fisher-Rosemount 3051Т з класом точності 0,25;

- система збору, оброблення і передачі даних, що побудована на програмованих контролерах Modicon TSX Quantum;

- лінія зв’язку від давача до контролера КП телемеханіки довжиною меншою ніж 10 м;

- лінія зв’язку від контролера КП телемеханіки до блока оброблення і відображення інформації автоматизованої системи у диспетчерській довжиною 200 км;

- комп’ютер Р-ІІІ, з частотою 600 Мгц і операційною системою Windows NT.

Розроблено методику проведення експериментальних досліджень і вибрані засоби вимірювання, які забезпечили високу вірогідність результатів, одержаних у ході дослідження на ділянках нафтопроводу НПС „Великоцьк” і НПС „Новоайдар” імітацією несанкціонованого витікання нафти біля КП телемеханіки, що знаходиться на 986 кілометрі нафтопроводу „Самара-Лисичанськ”.

Проведено імітаційне моделювання і продемонстровано чутливість методу до змін властивостей контрольованого сигналу. Одержано діаграми тисків по лінійних КП під час несанкціонованих відборів нафти з МН (рис.6).

Проведено аналіз чинників, що впливають на чутливість і працездатність системи автоматичного контролю відборами нафти з МП, що дало змогу розробити пропозиції щодо визначення відстані, на якій треба розташовувати давачі тиску до і після КП.

Визначено інтервал часу (2мс) між двома послідовними відліками тиску в системі контролю за несанкціонованим відборами нафти з нафтопроводу, що сприятиме підвищенню точності визначення місця і часу відборів нафти з МН.

Четвертий розділ присвячено аналізу похибки засобів контролю за відборами нафти з МН. Для реалізації САК за несанкціонованими відборами нафти з МН використали інтелектуальні давачі тиску моделі 3051Р, які мають вихідний сигнал 4ч20 мА. Сумарна відносна похибка інтелектуального давача тиску Fisher-Rosemount 3051Р (за даними фірми Fisher-Rosemount) дорівнює д = ± 0,14% за зміни температури навклдишнього середовища ± 28 оС.

Розроблено схему накопичення сумарної похибки вимірювального каналу тиску САК за відборами нафти з МН (рис. 7).

На рис.7 прийняті такі позначення: др – відносна похибка регістратора; дЕ – відносна похибка розрахунків у ЕОМ; дз – похибка заокруглення; дD – відносна похибка давача тиску; дДt – відносна похибка часу спрацювання давача; дсг – абсолютна похибка часу спрацювання елементів схеми; дк – відносна похибка спрацювання комутатора; дА – похибка апроксимації рівнянням четвертого порядку; дF – відносна похибка апроксимації.

На основі сумарної відносної похибки виявлено сумарну інструментальну похибку, яка, внаслідок некорельованості окремих складових, дорівнює середньоквадратичній сумі

. (14)

Під час оцінки працездатності вимірювального каналу тиску в МН і визначення часу і місця відборів порівнювали час затримки проходження сигналу через систему контролю з критичними значенням часу ф для виявлення місця порушення цілісності МН.

Методичні похибки вимірювального каналу тиску в МН викликані використанням наближених математичних залежностей замість точних. Складна залежність зміни тиску в МН під час відбору апроксимована рівнянням четвертого порядку з похибкою апроксимації дА = 0,02 %.

Показано, що оброблення інформації про зміну тиску в МН за допомогою моделі Мамдані – типу забезпечує абсолютну