Применение методов нечетной логики для автоматизации процессов дегидратации и обессоливания сырой нефти на месторождении им. Ю. Корчагина

Введение

Автоматизация технологических процессов является решающим фактором в повышении производительности труда и улучшении качества выпускаемой продукции. Для нефтегазового комплекса автоматизация имеет особое значение, так как он является одной из ведущих отраслей Российской Федерации и в значительной степени определяет её экономическое развитие. В настоящее время одним из приоритетных и перспективных направлений научно-технологического развития РФ является «переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта». С целью реализации данной концепции во многих отраслях промышленности внедряются современные системы автоматизированного управления производством и системы поддержки принятия решений при осуществлении технологических процессов. В сфере добычи углеводородного сырья такие системы высоко востребованы в процессах обслуживания и управления нефтегазодобывающими скважинами, нефтепроводами и другими технологическими объектами.

Нефтеперерабатывающие заводы в качестве исходного сырья получают продукты добычи скважинных месторождений. В основном это нефтегазовые ресурсы, которые извлекаются в виде эмульсии с примесями и минеральными солями. Без предварительной очистки такие смеси могут навредить технологическому оборудованию даже на ранних этапах переработки сырья, поэтому применяются методы обезвоживания и обессоливания нефти, которые по эффектам можно сравнить с фильтрацией.

Целью данного исследования является применение методов нечетной логики для автоматизации процессов дегидратации и обессоливания сырой нефти на месторождении им. Филановского.

Разрабатываемая система предназначена для увеличения эффективности процессов дегидратации и обессоливания сырой нефти и повышении безопасности на установке. Регулятор на базе нечёткой логики должен обеспечить большую гибкость в настройке и лучшее качество переходного процесса. Таким образом, модернизация существующей системы позволит повысить точность измерений и надежность всей распределенной системы управления нефтебазы в целом, что повлечет за собой положительный экономический эффект.

Объект исследования – блок дегидратации и обессоливания сырой нефти на месторождении им. Ю. Корчагина.

Предмет исследования – автоматизированная система с применением методов нечеткой логики процессов дегидратации и обессоливания сырой нефти на месторождении им. Ю. Корчагина.

В простейших схемах реализации электромеханических процессов отделения соли и воды от нефтяного продукта используют электродегидраторы. Это многофункциональное оборудование, выполняющее несколько поэтапных задач, среди которых нагрев, электрическое воздействие, сепарация и отстойник. Горизонтальные электродегидраторы для обезвоживания и обессоливания нефти базируются на резервуаре, в котором происходят одно- или двухступенчатые процессы сепарации. Модели с функцией нагрева (термосепараторы) также содержат в основе конструкции емкость, но дополненную входной нагревательной секцией.

Электродегидраторы предназначены для глубокого обезвоживания и обессоливания нефти при помощи электрического поля под давлением, при этом электродегидраторы (ЭГ) снабжены электродами, к которым подводится высокое напряжение промышленной частоты. Существует несколько типов и конструкций ЭГ, отличающихся формой, габаритами и принципом работы.

Рассмотрим горизонтальный. Сырьевая нефть равномерно подается в аппарат через горизонтальный маточник, который расположен вдоль аппарата. Сначала нефть поступает в слой отстоявшейся воды, потом попадает в зону под электродами и далее в пространство между электродами. Далее она перемещается в пространство над электродами и выше, направляясь к выходным коллекторам обработанной нефти, которые распределены в верхней части электродегидратора по всей длине. Контакт нефти с водой и деэмульгатором, который растворен в ней, помогает достичь более полного удаления солей и воды. Под воздействием слабого электрического поля, возникающего между поверхностью воды и нижним электродом, по пути нефти в межэлектродное пространство из нее выпадают крупные частицы воды. В сильное электрическое поле поступает нефть с более мелкими частичками воды, которым необходимо воздействие поля с большей напряженностью.

Основная часть

В данной работе [1, с. 83-89] рассматривается вопрос повышения эффективности функционирования насосных систем, как наиболее энергоемкой части нефтегазового месторождения.

В связи с тем, что современные системы управления не всегда позволяют оптимизировать заданные процессы, автор выделяет важную научно-технической проблему – цифровизация заданных процессов и создание отечественных систем автоматического управления с применением алгоритмов нечеткой логики и нейронных сетей.

Далее автор показал нам систему прямого цифрового управления насосными станциями. Однако технологические процессы добычи, подготовки и транспортировки нефти обладают рядом характеристик, не позволяющих добиться максимальной эффективности в существующем подходе. Это и динамика протекающих процессов, нестационарность и неопределенность параметров. При идентификации (рис. 1) система рассматривается на определенном участке, имеющем, по большей части, линейную характеристику. На действующей установке возможно существенное отклонение протекающего процесса от номинальных значений, что приводит к невысокому качеству работы регуляторов. Так, точность моделей идентификации системы на основе линейных авторегрессивных методов составляет не более 30% [1, с. 83-89].

Рис. 1. График зависимости расхода от времени: 1 – характеристика действующего объекта; 2 – характеристика, полученная на основе модели идентификации системы

Затем автор рассмотрел классические нечеткие регуляторы. К преимуществам можно отнести более гибкую постройку регулятора под процессы регулирования. К основным недостаткам можно отнести сложность настройки, разработки и управления в реальном масштабе времени при усложнении технологического процесса. Повышение эффективности работы нечетких регуляторов достигается разработкой многомерного нечеткого регулятора или нейронечеткого регулятора с дискретными термами. Данные регуляторы отличаются спецификой построения и подходом к разработке [1, с. 83-89]. Подход, основанный на обучении искусственного интеллекта, позволил автору получить достаточно высокое качество регулирования при небольшом количестве времени, затраченного на обучение системы. На рисунке 2 показана модель прогнозирования расхода от времени при реализации нейронечеткой системы.

Рис. 2. График зависимости расхода от времени: 1 – моделируемая характеристика, 2 – реальная характеристика

На графике видно, что ошибка нейронечеткой системы не превышает 20%. Из приведенных выражений для линейных систем можно сделать вывод, что для управления таким классом объектов с присущими неопределенностями и нелинейной структурой наиболее эффективными методами являются системы с нечеткими регуляторами с дискретными термами и многомерные нейронечеткие регуляторы.

Из недостатков системы можно выделить необходимость определенных навыков в сфере машинного обучения.

В статье [2] описана реализация адаптивного нечеткого ПИД-регулятора для АСУ электропривода подач металлорежущего станка на примере ПЛК SIEMENSS7-300, c использованием ОРС протокола для передачи данных между пакетом моделирования MatlabSimulink и ПЛК. По результатам выполненной работы, приведён сравнительный анализ полученных переходных характеристик.

Первым этапом работы было определение звеньев системы автоматического регулирования. В статье верно указаны все звенья, но недостаточно описаны. Далее был произведен расчет параметров САУ и моделирование данной системы в среде MatlabSimulink. В конечном итоге данного этапа был получен график переходного процесса с использованием ПИД-регулятора.

Вторым этапом данной работы является создание ПИД-регулятора на основе правил нечеткой логики для вышеописанной модели электропривода. В статье написано, что процесс создания нечеткого ПИД-регулятора на базе ПЛК SiemensS7-300, осуществляется в 4 этапа:

1. Создание программы ПИД-регулятора в среде программирования STEP7, используя блок непрерывного регулирования FB41 «CONT_C»;
2. Создание программы нечеткого ПИД-регулятора в STEP7, используя язык программирования STL;
3. Конфигурирование модели в MatlabSimulink;
4. Конфигурирование ОРС-сервера SimaticNETдля обмена данными «клиентсервер» между MatlabSimulinkи STEP7.

В статье четко и лаконично описаны все вышенаписанные этапы, приведены схемы и скриншоты используемых программ. Был приведен алгоритм, написанный на языке программирования STL, работы программы с применением базы правил нечеткой логики на основе ПЛК SiemensS7-300.

В ходе моделирования получена структурная схема скорректированной нечеткой системы. В результате был получен график переходного процесса системы с адаптивным нечетким ПИД-регулятором.

Было произведено сравнение результатов моделирования системы.

Автор пишет, что при сравнении переходных характеристик переходного процесса, с использованием классического ПИД-регулятора и нечеткого регулятора заметно меньшее перерегулирование и значительное улучшение времени установившегося процесса для модели с нечетким регулятором. Скорее всего, автор ошибся во столбце «Время установившегося процесса», и значения нужно поменять местами.

В целом, работа выполнена очень грамотно, все поставленные цели были достигнуты.

Статья «Применение матричного аппарата нечеткой логики для поддержки принятия решений в процессе обслуживания технологического оборудования нефтедобычи» Селеткова И. П. [3, с. 8-18] посвящена исследованию возможностей использования методов нечеткой логики для оптимизации процессов обслуживания и ремонта технологического оборудования в нефтедобывающей отрасли.

Автор предлагает использовать матричный аппарат нечеткой логики, который позволяет формализовать и структурировать сложные многокритериальные задачи, возникающие в процессе принятия решений. Матричный аппарат позволяет определить степень влияния различных факторов, таких как техническое состояние оборудования, условия эксплуатации, сроки проведения последнего ремонта и другие, на принятие решения о необходимости проведения ремонтных работ.

В статье подробно описываются этапы применения матричного аппарата для поддержки принятия решений, включая построение матрицы решений, определение критериев и их весов, формирование функций принадлежности и агрегирование информации. Также автор приводит примеры использования предложенного подхода на практике и анализирует полученные результаты.

Селетков И. П. делает вывод о том, что применение матричного аппарата нечеткой логики позволяет повысить эффективность принятия решений о проведении ремонтных работ, снизить затраты на обслуживание оборудования и улучшить его техническое состояние. Однако автор отмечает, что для успешного внедрения предложенного подхода необходимо провести дополнительные исследования и разработать специализированное программное обеспечение.

Недостатком данной статьи является то, что она в основном обзорная. Нет конкретных примеров решения проблем, не указаны реальные данные объектов, из-за чего мы не можем заметить эффективность применения данного метода. Проблема не рассмотрена с точки зрения АСУТП, не приведены графики переходных процессов, не указана эффективность процесса [4, с. 10-20].

Авторы статьи «Управление редуцированием газа в магистральных газопроводах высокого давления с применением аппарата нечеткой логики» предлагают использовать методы нечеткой логики для оптимизации процесса редуцирования газа в магистральных газопроводах. Нечеткая логика позволяет учитывать различные факторы, такие как давление, температура, состав газа, и на основе этих данных принимать решения о настройке параметров редуцирования. Предложен новый подход к разработке системы управления клапаном – регулятором высокого давления с применением аппарата нечеткой логики. Описывается разработанный алгоритм управления клапаном в SCADA-модуле на встроенном языке ST, который позволяет более качественно управлять технологическим процессом редуцирования давления газа.

Одним из основных преимуществ использования нечеткой логики является возможность учета неопределенностей и неполноты информации, что особенно актуально для процессов управления в сложных системах, каковыми являются магистральные газопроводы.

В статье описывается применение аппарата нечеткой логики на примере конкретной задачи управления редуцированием газа. Изначально было приведено математическое описание процесса редуцирования газа на магистральном газопроводе с применением аппарата нечеткой логики. В данном разделе были приведены правила нечеткой логики и построены функции принадлежности (рис. 3, 4).

Рис. 3. Форма функции принадлежности изменения давления

Рис. 4. Форма функции принадлежности изменения давления

Во втором разделе статьи была показана программная реализация алгоритма управления клапаном на базе нечеткой логики.

Результаты исследования показывают, что использование аппарата нечеткой логики позволяет улучшить качество управления процессом редуцирования газа и повысить надежность работы магистрального газопровода в целом.

Целью данного исследования является проведение анализа возможности применения элементов нечеткой логики в многоагентной системе управления с элементами искусственного интеллекта [5, с. 10-20]. На основе полученных результатов проанализировать целесообразность применения принципов нечеткой логики для управления технологическим процессом напыления в вакууме.

В статье авторы сначала представляют основные понятия и принципы нечеткой логики, а затем переходят к описанию примеров ее применения в вакуумно-напылительной технологии. В частности, рассматриваются задачи управления мощностью и длительностью импульсов, а также задача управления скоростью вращения распылительных головок.

Авторы статьи подчеркивают, что применение нечеткой логики позволяет создавать гибкие и адаптивные системы управления, способные учитывать различные факторы и условия работы оборудования. Это особенно актуально в условиях нестабильности и неопределенности, характерных для многих технологических процессов.

Также в статье анализируются преимущества и недостатки использования нечеткой логики по сравнению с классическими методами управления. К преимуществам относятся возможность обработки неточных и неполных данных, а также простота реализации и настройки алгоритмов управления. Однако авторы отмечают и определенные недостатки, такие как сложность формализации знаний и необходимость проведения дополнительных исследований для улучшения качества управления.

Выводы статьи подчеркивают важность дальнейшего развития и исследования методов нечеткой логики для оптимизации процессов в вакуумно-напылительных технологических комплексах. Авторы считают, что этот подход может стать основой для создания более эффективных и надежных систем управления оборудованием в данной области.

Из недостатков данной работы можно выделить отсутствие сравнения с другим подходом автоматизации системы, из-за чего нельзя наглядно увидеть эффективность данного подхода. Не приведен программный код, который использовался для решения задач.

Заключение

Для решения поставленной задачи будет использован подход интеллектуальной системы автоматизации на основе регулятора нечеткой логики.

Целью данного исследования является применение методов нечетной логики для автоматизации процессов дегидратации и обессоливания сырой нефти на месторождении им. Ю. Корчагина.

Задачи:

1. Изучение методов нечеткой логики и их применимости в области автоматизации процессов добычи и обработки нефти.
2. Разработка модели процесса дегидратации и обессоливания нефти с использованием нечеткой логики.
3. Определение основных параметров, которые влияют на процесс дегидратации и обессоливания, и их количественное измерение.
4. Разработка системы управления процессом дегидратации и обессоливания с использованием нечетких регуляторов.
5. Экспериментальное тестирование разработанной системы управления на месторождении Ю. Корчагина.
6. Оценка эффективности применения нечеткой логики в автоматизации процессов дегидратации и обессоливания.
7. Анализ полученных результатов и выработка рекомендаций по оптимизации процесса дегидратации и обессоливания на основе нечеткой логики.

Применение линейных пропорционально-интегрально-дифференциальных (ПИД) регуляторов в системах управления нелинейными объектами зачастую приводит к низкому качеству процесса регулирования, которое характеризуется большими значениями перерегулирования, статической ошибкой и/или временем переходного процесса. В настоящей работе предлагается нечеткая адаптация параметров настройки ПИД-регулятора, позволяющая учитывать нелинейные свойства объекта и обеспечивать требуемое качество регулирования.

Повышение эффективности управления является актуальной проблемой в условиях возрастающей сложности технологического оборудования, процессов и систем. Для проектирования систем управления сложными объектами важную роль играет решение задач построения адекватных математических или имитационных моделей и синтеза алгоритмов управления, обеспечивающих решение задач в условиях неопределенности.