Модели и методы. Модели и методы построения вероятностно статистических оценок для мониторинга показателей надёжности в диспетчерском управлении транспортом газа
 Скачать 3.85 Mb.
|
|
механизмами К он тр ол ь целостности цепей управления И М Ч ас то тавра щ ен и я Т ем пера тура Т С М В и б р о см ещ ен и е Д ав лени е, уровень Блоки реле (Б Р ) У пр ав лени е О Г Д и ск ре тн ы е сигналы концевые выключатели, сигнализаторы, контакты пуска тел ей)Бл ок экстренного останова Устройства связи с объектом (УСО) Интерфейс с ИР У С О № 0 2 У С О № 0 3 У С О № 0 4 У С О № 0 5 У С О № 0 6 У С О № 0 7 У С О № 0 8 У С О № 0 9 У С О № 1 0 У С О № 1 1 У С О № 1 2 Б Р № 0 1 У С О № 1 3 У С О № 1 4 У С О № 1 5 У С О № 1 6 У С О № 1 7 У С О № 1 8 У С О № 1 9 У С О № 2 0 У С О № 2 1 К М п К М п М К О Микропроцессорные контроллеры Модуль контроля оборудования Шкаф контроля и управления АРМ оператора У С О № Рисунок 4. Структурная схема САУ ГПА. Наибольшую опасность для ГПА представляют внезапные отказы, в результате которых разрушается механическая часть агрегата и теряется его работоспособность. Возникает потребность аварийной остановки ГПА для уменьшения последствий разрушений и безопасности эксплуатирующего персонала КС. 24 Возникновение отказов, как правило, связано с первичной неисправностью конструктивного или эксплуатационного характера и постепенным накоплением повреждений, ухудшающих работоспособность агрегата. Правильная организация планово-предупредительного ремонта в значительной мере способствует снижению числа отказов в период нормальной эксплуатации. Внезапные отказы отдельных деталей агрегата, как правило, между собой независимы. При исследовании механического состояния деталей агрегата и анализе причин возникновения аварийных ситуаций агрегаты отказы подразделяют на механическую часть и систему автоматики. Следует отметить, что основными причинами отказов агрегатов являются 1) нарушения в электроснабжении 2) функциональные неисправности. К ним относятся дефекты лопаточного аппарата и ротора газовой турбины (40-50%), камеры сгорания (25%), подшипников (6%) и оставшихся вспомогательных устройств 3) нарушения работы систем автоматики КИПиА. Показатели надёжности технологического оборудования ГТС Надёжность является сложными многозначным понятием, тем более для такой крупномасштабной системы как ЕСГ, и выбор показателей надёжности зависит от целей исследования и объектов исследования. Надёжность может объединять несколько единичных свойств, являющихся характеристиками объекта. Поэтому среди совокупности показателей надёжности существуют такие, которые предназначены для оценки единичных свойств, нов тоже время, ряд показателей имеет комплексный характер и содержит информацию сразу о нескольких единичных свойствах. На языке математики функционирование ЕСГ и ее объектов описывается случайными процессами [4, 10, 89, 116], важнейшие особенности которых могут быть представлены аппаратом случайных величин. Поэтому показатели надёжности являются числовыми характеристиками соответствующих процессов и величин. 25 Наибольшее применение в общетехнических системах нашли следующие показатели надёжности: ➢ вероятность безотказной работы (время жизни функционирования или наработка объекта ➢ среднее время безотказной работы (наработка до отказа) – математическое ожидание предыдущей случайной величины ➢ среднее время восстановления ➢ интенсивность отказов плотность вероятности отказов в произвольном моменте при условии, что до этого момента отказа не было) – важнейшая характеристика работы невосстанавливаемого объекта ➢ параметр потока отказов (плотность вероятностей возникновения отказа восстанавливаемого элемента, определяемая для любого момента времени, именно этот показатель чаще других применяется для характеристики линейной части газопроводов, а также ЕСГ в целом по нему можно судить о надёжности технологической системы в целом по отрасли или газотранспортному предприятию [81]; И ряд более специфических характеристик надёжности оборудования ➢ коэффициент готовности (вероятность того, что технологическое оборудование находится в работоспособном состоянии в произвольный момент времени ➢ стационарный коэффициент готовности (выражается через средние времена наработки и восстановления ➢ коэффициент технического использования ➢ коэффициент оперативной готовности. В дальнейших исследованиях мы будем обращаться к первому блоку перечисленных выше показателей надёжности. Структура ГТС и основные задачи диспетчерского управления В соответствии с СТО Газпром 2-3.5-454-2010 Правила эксплуатации магистральных газопроводов [103] диспетчерское управление ЕСГ Российской 26 Федерации осуществляет департамент 310 ПАО «Газпром» (ранее центральный производственно-диспетчерский департамент, ЦПДД) через четырёхуровневую систему управления [103, п. 14.1] (см. Рисунок 5): I – департамент 310 ПАО «Газпром» – высший орган диспетчерского управления ЕСГ Российской̆ Федерации. II – Диспетчерские управления или производственно-диспетчерские управления эксплуатирующих организаций ПАО «Газпром», оперативно- диспетчерские службы региональных компаний по реализации газа, диспетчерские центры независимых организаций. III – Диспетчерские службы филиалов эксплуатирующих организаций. IV – Персонал филиалов эксплуатирующих организаций, осуществляющих непосредственное управление режимом работы оборудования. В положениях о диспетчерско-технологической службе ПАО «Газпром» сформулированы задачи бесперебойного снабжения потребителей газа, и обеспечения надёжности газопоставок. Надёжность функционирования газотранспортной системы «Газпрома» обеспечивается благодаря внедрению прогрессивных методов диагностики, своевременному проведению капитального ремонта и планово- предупредительных работ. В компании «Газпром» используется современная система планирования капитальных ремонтов на основе методологии управления техническим состоянием и целостностью ГТС. После проведения анализа рисков и оценки системной значимости приоритет отдается тем объектам, ремонт которых даст максимальный эффект. Такой подход позволяет одновременно повышать уровень технической надежности производственных объектов, оптимизировать объем выполняемых работ и эффективно расходовать финансовые ресурсы. АСДУ классифицируются как организационно–технические системы и определяются как звено АСУ ТП, на которое возлагаются функции сбора, обработки отображения информации, а также решения ряда режимно- технологических задач. 27 Рисунок 5. Иерархическая структура диспетчерского управления При этом АСДУ обеспечивает диспетчера информацией, необходимой для выработки управляющего воздействия, оставляя за ним функции принятия решений. Под функциями АСДУ понимают организацию мультисистемой работы технических средств и решений комплекса задач в человеко–машинном контуре оперативного управления, так что АСДУ – это система управления технологическим процессом, интегрирующая на автоматизированном рабочем месте диспетчера профессиональные знания диспетчера с информационно- управляющей системой, обеспечивающей автоматический сбор, передачу и отображение информации, а также автоматизирующей все требуемые расчетные процедуры и выполнение управляющих воздействий для достижения поставленной цели в соответствии с заданными критериями. 28 Основное назначение такой системы – совершенствование управления дальним транспортом газа за счет повышения оперативности контроля диспетчерской информации и моделирования режимов работы магистральных газопроводов на базе применения математических методов, автоматических систем сбора информации и компьютерных программных комплексов. Принципиальное отличие АСДУ газотранспортной организацией от других систем передачи и обработки данных заключается в том, что ее основные функции выполняются в масштабе реального времени, что обуславливает основные требования к быстродействию и надежности системы и определяет выбор технических средств и принципов передачи информации. В настоящее время диспетчерское управление в системе ПАО «ГАЗПРОМ» становится главным, приоритетным направлением развития АСДУ. Это связано, прежде всего, с повышением сложности объектов управления и требований к надежности газоснабжения, к безопасности транспорта газа, с внедрением новых информационно-вычислительных и программных систем. В рамках этого направления создается и развивается отраслевая система оперативно-диспетчерского управления ЕСГ на базе взаимосвязанного иерархического комплекса автоматизированных систем управления, охватывающего все уровни управления ЕСГ и построенного на принципах системного единства и совместимости математического, информационного и технического обеспечения. Создание такой системы предполагает функциональное сопряжение АСДУ различных уровней на основе строгого распределения задач управления по уровням иерархии и создание информационных систем управления, работающих в реальном масштабе времени. Выделяют три исторических этапа в технологии диспетчерского управления газоснабжающими системами • использование телефонной связи для сбора данных визуального контроля • использование средств вычислительной техники и телемеханики, компьютерных программ оптимизации в информационном режиме 29 • создание диспетчерских комплексов реального времени на базе средств компьютерной автоматизации, систем передачи данных, программ моделирования и прогнозирования динамических процессов транспорта газа. Таким образом, благодаря научно-техническому прогрессу и эволюции объекта управления, развитие диспетчерского управления прошло путь от телефона, как основного технического средства управления, до современной высокоавтоматизированной диспетчерской, с внедрением АСДУ. 1.2. Анализ состояния работ по оценке надёжности и их применения в газовой отрасли Поскольку отказы носят случайный характер, то научно обоснованные характеристики надёжности можно получить только средствами теории вероятности, точнее её раздела – теории надёжности. Поэтому, актуальной задачей является разработка проблема оценки показателей надёжности и мониторинга состояния технологического оборудования по эксплуатационным данным, основанной как на классических, таки на современных методах теории надёжности. При этом расчёты показателей надёжности оборудования требуют формулировки основных идей, связанных с причинами снижения его надёжности, те. главной гипотезы ситуации, которая сложилась, или моделей, по которым мы будем дальше обрабатывать реальную статистику наблюдений. К тому же существует еще проблема исходных данных, ввиду того что в действующих газотранспортных системах оборудование вводилось в эксплуатацию в разное время, и информация об отказах была фрагментарной, включая и нежелание диспетчерских служб показывать в отчётности невыгодную статистику по авариям. Исходя из вышеизложенного, ниже представлены признаки, по которым можно классифицировать исследования в области надёжности: • систематические основы математической теории надёжности; 30 • процессы восстановления и уравнение восстановления • статистические модели и методы анализа технических систем • другие различные аналитические методы оценки надёжности систем (логико-вероятностный и марковский подход • управление техническим состоянием магистральных газопроводов с применением методов оценки целостности, надёжности и безопасности • автоматизация диспетчерского управления транспортом газа для обеспечения эффективной работы технологического оборудования • мониторинг показателей надёжности газотранспортных объектов с использованием методологии системного анализа • своевременный анализ информации по исследованию деградационных процессов вовремя эксплуатации оборудования • анализ надёжности технических систем по цензурированным выборкам Основополагающую роль в становлении теории надёжности как математической дисциплины сыграли фундаментальный труд Гнеденко Б.В., Беляева Ю.К. и Соловьева АДа также работы Кордонского Х.Б. и Герцбаха И.Б., Половко А.М., Ушакова И.А., Barlow, R. и Proschan F. [21, 73, 78, 127] и др. АД. Соловьев создал целую школу по асимптотическим методам в теории надёжности и теории массового обслуживания, уделяя особое внимание инженерной направленности практических задач надёжности. Фундаментальные вопросы классической теории восстановления, включая асимптотические свойства основной характеристики процесса восстановления – функции восстановления – были рассмотрены в работах Феллера В, Кокса ДР. и Смита В.Л. [60, 116]; применительно к интегральному уравнению восстановления для модели Гнеденко-Вейбулла можно назвать ряд авторов, изучающих данный вопрос Constantine A.G. и Robinson N.I., Smith W.L. и Leadbetter M.R., Cui L., Xie M., Makino M. [129, 140, 146, 152, 153] и др. 31 Вопросам применения современных статистических моделей и методов в теории надёжности сложных технических систем и элементов, в том числе с учетом их старения, и уделяя внимание задачам статистической обработки цензурированных наблюдений, отведено особое место в исследованиях Антонова А.В. и Никулина МС, Острейковского В.А., Чепурина Е.В., Beichelt F. и P. [3, 4, 8, 75, 120] и др. Исследованию проблем описания моделей и методов анализа надёжности технических структурно-сложных систем с помощью логико-вероятностных блок- схем и марковского моделирования с привлечением современных средств автоматизации анализа надёжности посвящены работы Викторовой В.С. и Степанянца АС [19, 20, 100]; теории и практики управления надёжностью сложных технических систем в целом – работы Каштанова В.А. и Медведева АИ, Elsayed E.A. [56, 133] и др. Можно выделить ряд направлений, характеризующих состояние и тенденции развития системной надёжности ГТС. Так, вопросами анализа, оценки состояния и развития системы транспорта газа в разрезе АСДУ, описанием моделей системы поддержки принятия диспетчерских решений, разработкой требований к комплексам технических средств и системам оперативного управления для магистральных газопроводов занимались Григорьев ЛИ. и Костогрызов АИ, Панкратов В.С. и Степанян А.А., Сарданашвили С.А., Стёпин Ю.П. [34, 39, 41, 76] и др. Различные аспекты и позиции методологических основ в области обеспечения надежности газо- и нефтепроводов, резервирования и оптимизации систем магистрального транспорта газа проработаны в трудах Бабаева С.Г., Сухарева МГ. и Ставровского ЕР, Иткина В.Ю., Дейнеко СВ. [7, 108, 110, 44] и др. Исследования Герцбаха И.Б. посвящены проблемам теории надёжности в приложении к планированию профилактического обслуживания систем на основании статистической обработки данных по надёжности [22]. Особенности методологии управления эксплуатационной надежностью и ресурсом конструкций магистральных газопроводов с позиций задач диагностического обслуживания и 32 обеспечение целостности, безопасной эксплуатации ГТС, в частности в сложных климатических условиях, подробно рассмотрены в работах Салюкова В. В Харионовского В.В., Демченко В.Г. [45, 92, 119]. Исследованиям различных моделей надёжности с помощью процессов марковского и полумарковского типа в приложениях к задачам, характерным для производств нефтегазовой отрасли, посвящены труды Рыкова В.В., Сухарева МГ. [89, и др. Вопросами прогнозирования, мониторинга технического состояния и промышленной безопасности технологически активного оборудования в нефтегазовом комплексе с позиций системного анализа занимались Григорьев ЛИ, Кершенбаум В.Я., Костогрызов АИ, Земенкова МЮ, Седых И.А., Слепченко С.Д . [21, 38, 52, 63, 95, 97] и др. Исследованию разнообразных деградационных процессов в технических системах, математических моделей надёжности стареющих элементов и систем посвящены работы Антонова А.В. и Никулина МС, Байхельта Фи Франкена П, Гродзенского С.Я., Барлоу Р. и Прошана Фи др.;изучению вероятностных моделей накопления повреждений, использующих аппарат характеристических и производящих функций наряду с графоаналитическими методами, а также систематическому описанию феноменологических процессов деградации с помощью случайных процессов марковского типа положила начало работа Богданоффа Дж. и Козина Ф. [16]. Вопросам обработки статистической информации на основании цензурированных и усечённных наблюдений, а также получению оценок надёжности по результатам сокращенных испытаний уделено внимание в работах Аронова ИЗ, Скрипника В.М. и Назина А.Е. и др, Слепченко С.Д . [5, 96, 97]. Основными стандартами по надёжности, которые распространяются на большинство технических объектов и определяют принципы, правила и методы управления их надежностью на различных стадиях жизненного цикла объектов являются ГОСТ Р 27.001-2009, ГОСТ Р 27.002-2009, ГОСТ 27.301-95, ГОСТ Р МЭК 61650-2007, ГОСТ 27.301-2011, ГОСТ Р 27.606-2013 и др. [25, 26, 29, 30]. В тоже время применительно к газовой отрасли разработан ряд отраслевых 33 стандартов организации (СТО) для проектирования, строительства, эксплуатации объектов магистральных газопроводов и обеспечения системной надёжности транспорта газа СТО Газпром 2-2.1-512-2010, СТО Газпром 2-3.5-138-2007, СТО Газпром 2-3.5-454-2010 [101, 102. 103]. Стандарты ГОСТ Р 53563-2009, ГОСТ Р 53564-2009 отражают базовые позиции по мониторингу состояния оборудования опасных производств в отношении порядка организации и требований к системам мониторинга [31,32]. Проведенный обзор работ отечественных и зарубежных авторов показал, что в настоящее время отсутствуют модели вероятностно-статистических оценок, которые могут быть использованы для мониторинга показателей надёжности сединой позиции жизненного цикла эксплуатации объектов ГТС в условиях острого дефицита эксплуатационной информации, приводящих к необходимости статистической обработки данных малого объёма. На основании анализа представленных работ в области исследования оценок надежности ГПА [68, 80, 93, 125] можно сделать однозначный вывод об актуальности внедряемой ИАС, и, поскольку большее число отказов приходится на заводские дефекты (см. [95, 68]), то наличие обратной связи с системами управления качеством производителей оборудования является крайне полезными необходимым моментом. Исторические этапы развития теории надёжности Руководствуясь гениальным афоризмом великого русского ученого- энциклопедиста Д.И. Менделеева Знание истории предмета необходимо для правильного движения вперёд», в работе прослеживается история развития теории надёжности, сравнительно молодой для науки дисциплины. Можно выделить три этапа формирования теории надёжности, характеризующие общие тенденции взаимоотношения науки и техники (см. [42, 75]) , когда наука сначала отстаёт от техники в своем развитии, потом постепенно догоняет технику, решая насущные технические задачи и, наконец, наука 34 начинает опережать технику в своем становлении, ставя и решая такие задачи, которые лишь впоследствии на основе научного исследования и чисто теоретического решения находят практические приложения. Соответственно, на первом этапе (ее годы XX века) попытки научного подхода к проблеме надёжности носят стихийный характер теория надёжности уже догоняет технику, происходит бурное развитие статистических методов вовремя второго этапа (ее годы и, начиная, с х годов прошлого века теория надёжности начинает опережать технику в своем развитии, переходя уже на проблемы управления качеством технических устройств, промышленной безопасности и анализу рисков. В настоящее время следует отметить существенно новый этап в развитии научной дисциплины теории надёжности: ускоренными темпами идет как разработка новых моделей и методов, таки расширение областей применения методологии теории надёжности (см. [4, 20, 75]). Рассмотрим становление теории надёжности на примере Института проблем управления имени В. А. Трапезникова Российской академии наук дог Институт автоматики и телемеханики АН СССР, который внес замечательный вклад в развитие науки теории надёжности в отечественной истории. Уже вначале х гг. Б.С. Сотсковым были инициированы исследования по проблеме надёжности, результаты которых сводились к обобщению экспериментальных данных и разработке математических моделей анализа надёжности элементов автоматики, в частности реле и коммутаторов. В е гг. в руководимой Б.С. Сотсковым лаб. №12 формулируется новое направление в исследовании проблемы надёжности – физические основы надёжности элементов автоматики, − в рамках которого создаются модели анализа влияния физических факторов процесса эксплуатации на показатели параметрических и катастрофических отказов элементов. Впоследствии результаты теоретических исследований вошли в инженерную практику в качестве стандартов и типовых методик расчёта надёжности элементов, приборов и устройств. 35 Начало х гг. открывает эпоху бурного развития автоматизации в стране, создания крупных автоматизированных комплексов в оборонной, химической и металлургической промышленности и других отраслях народного хозяйства. Резко возросла цена отказов, особую актуальность приобрели методы прогнозирования и обеспечения надёжности систем на всех этапах их жизненного цикла, особенно на стадии проектирования. В этот период проблема надёжности отечественной техники была поднята на государственный уровень. В центральных газетах публикуются статьи академиков В.А. Трапезникова, АИ. Берга, В.А. Котельникова. Вообще е гг. отмечены массированным изданием литературы по теории и практике надёжности. Особо заслуживают внимания основополагающие работы Б.В. Гнеденко, Ю.К. Беляева и АД. Соловьева, А.М. Половко, И.А. Рябинина, Г.В. Дружинина, И.А. Ушакова. В е гг. задача анализа надёжности становится неотъемлемым компонентом процесса проектирования в число обязательных проектных документов при создании технических систем стали включать раздел Проектный анализ надёжности». Резко вырос уровень требований к точности расчётов. В период х гг. теория надёжности решительно шагнула в класс динамических моделей надёжности, позволяющих количественно учитывать развёрнутую во времени последовательность отказов элементов системы. Данные модели открыли новый путь к решению важной проблемы оценки качества функционирования систем. Появилась возможность научно обоснованного подхода к понятию эффективности системы. В е гг. были начаты работы по анализу и обеспечению техногенной безопасности систем. Вклад в это направление внесли исследования, выполненные АС. Степанянцем и В.С. Викторовой. В конце х гг., с развитием рыночной экономики, резко возрос интерес к прогнозам производительности и эффективности крупных технологических комплексов. Решение таких задач потребовало комбинирования различных методов анализа надёжности систем и разработки программных комплексов автоматизации анализа. 36 В настоящее время ИПУ им. В. А. Трапезникова Российской академии наук располагает полным комплексом научно обоснованных методов и программного обеспечения для проведения самых разнообразных исследовательских и проектных работ – от обработки исходных экспериментальных данных о работоспособности элементов систем дополучения оценок надёжности и эффективности систем сложной структуры (см. [54]). |