Самоорганизующаяся система Smart-MES «MES-T2 2020» для ТЭЦ/ГРЭС/АЭС за гранью фантастики

Ученые утверждают, что программное обеспечение должно выйти на следующий виток развития и обрести два новых качества, свойственных живым организмам, – адаптируемость и адаптивность. Основным свойством систем будущего названа сложность самоорганизации и поведения. А для этого они должны быть выполнены по технологии «Self*», т.е. быть самоконфигурируемыми, саморегулируемыми и самоадаптируемыми.

Но ООО “Фирма ИнформСистем” не просто приблизила это будущее, а уже его сделала прошлым. Главное, что данная планка IT нами настолько высоко поднята, что не считаться с этим уже будет не возможно. А это значит, что мы совершили революцию в технологии разработки больших информационных систем.

Таким образом, ООО «Фирма ИнформСистем» разработала инновационную самоорганизующуюся систему Smart-MES «MES-T2 2020» для реализации технологии экономии топлива и для увеличения энергоэффективности тепловых и атомных электростанций при автоматизации расчетов фактических и нормативных ТЭП с минутным интервалом в реальном времени. Она предназначена также для реализации технологии безаварийной эксплуатации атомных энергоблоков, и может обеспечить предупреждение всех аварийных ситуаций на АЭС, ТЭЦ и ГРЭС.

Сама методология построения Smart-MES ориентирована на легкую реализацию любых алгоритмов в любом количестве без программистов. Она содержит полную совокупность современных возможностей. Это и текстовые проекты технологических задач, и самонастройка всей системы, и самоорганизация в соответствии с текущим контекстом, и аналитика, и графика, и оптимизация. И все это возможно в любой конфигурации клиент-сервер.

Концепция самонастраиваемости Smart-MES

Наша новейшая концепция самонастраиваемости на много лет опережает современное мировоззрение построения больших открытых производственных программных систем и MES-систем в частности. Система Smart-MES именно соответствует технологии «Self*». Для большей наглядности сравним ее с живым организмом, т.е. с человеком.

Человек, рождаясь, ничего не умеет делать и ничего не знает, хотя в его организме заложены все составляющие для будущей деятельности. Человек учится много лет, даже когда начинает работать. Знания человек получает с помощью книг, т.е. посредством определенных инструкций и алгоритмов.

Система Smart-MES также изначально пуста, т.е. ни на что не способна, но в ней заложены в виде EXE-модуля все предпосылки для будущей конкретной реализации. Обучение Smart-MES осуществляется быстро и может выполняться всегда. В качестве книг в данном случае выступают текстовые проекты задач. Эти проекты EXE-модуль впитывает в себя и тем самым приобретается умелость.

Таким образом, система Smart-MES легко отождествляется с живым организмом, т.е. она - адаптируема и адаптивна. Но в отличие от человека она способна обучиться и переобучиться за несколько секунд.

Система – это в первую очередь EXE-модуль, который включает средства настройки и средства функционирования по результатам этой настройки. Настройка осуществляется в процессе компиляции (преобразования) текстовых проектов задач, структура которых очень простая и состоит из описания колонок таблицы и описания строк таблицы. Одна таблица соответствует одной задаче с набором алгоритмов расчета, с экранной формой и с отчетом.

Таким образом, при компиляции проектов автоматически создаются все базы данных, все экранные формы, все расчетные DLL программы, все отчеты. То есть для того, чтобы система была адаптирована и могла функционировать на конкретной электростанции кроме EXE-модуля и текстовых проектов ничего больше не надо. Если же в процессе функционирования системы необходимо внести изменение или дополнение, то корректируется текстовый проект и запускается компиляция на функционирующей системе. В этом случае все изменения встанут на свои места без потери текущей технологической информации.

Особое достоинство данной технологии еще и в том, что она предоставляет абсолютную программную надежность при любом количестве реализуемых технологических алгоритмов расчета для любого производства. Данная система образно состоит из двух философских категорий: базис и надстройка.

Базис – это исполнительный EXE-модуль, который абсолютно не имеет технологической начинки. Надстройка – это текстовые проекты технологических задач. Базис всегда не изменен, т.к. является прерогативой разработчика. Надстройка же подвержена постоянным изменениям, и является прерогативой технологов для развития производственных задач. Таким образом, базис создает надстройку, и вместе с ней в дальнейшем функционирует. Поэтому надстройка определяет сам базис. Иными словами, текстовые проекты технологических задач определяют область использования и обеспечивают реальное функционирование EXE-модуля.

Самоорганизация Smart-MES как высшая ступень «Self*»

Способность систем усложнять свою собственную структуру называется самоорганизацией. О реальной же возможности самоорганизации IT-систем история до сего момента еще не знала. Но вот в России фирма ИнформСистем разработала революционную технологию создания таких самоорганизующихся систем, которая может быть использована для разработки систем любого уровня.

Самоорганизация обязательно привносит в систему новое качество, которое без этой самоорганизации в принципе быть не может. Например, Smart-MES в результате самоорганизации легко может рассчитать 1000 задач с 500000 показателей всего за 10 секунд. Ни одна система больше на это не способна и близко. То же самое количество задач без самоорганизации будут рассчитываться более 2-х часов, т.е. в 700 раз дольше.

Без самоорганизации не может быть ни прогресса в IT, ни технологий «Self*», ни мультиагентных и ни интеллектуальных систем. Технология создания самоорганизующихся IT-систем обязательно должна включать пять следующих этапов:

1) Перевод постановки задачи на метаязык технолога.

В данном случае используется инструментальное средство (у нас – конструктор текстовых проектов) для оперирования шаблонами с целью максимального облегчения набора алгоритмов технологических задач, которые представляются в табличном виде. Например: колонки обозначают типы оборудования и итог, а строки – показатели.

2) Преобразование метаязыка на макроязык.

Данный этап производит полную самонастройку системы. В результате автоматически формируются все элементы: базы данных, справочники, меню задач, экранные формы, расчеты на макроязыке и отчеты. Данный этап необходим для позадачной отладки алгоритмов в режиме интерпретации, т.к. на последующих этапах она не возможна. Здесь каждой клетке экранной формы ставится в соответствие алгоритм расчета данного показателя.

3) Преобразование всех задач на макроязыке в одну задачу.

Этот этап и производит самоорганизацию системы. На данном этапе все таблицы отдельных задач особым образом соединяются в одну большую таблицу с переформатированием адресации во всех алгоритмах расчета показателей, создавая тем самым одну общую задачу со сложнейшей структурой.

4) Преобразование единой задачи на язык программирования.

Во время этого преобразования полностью ликвидируются все множественные рекурсии, в результате чего процесс полного расчета происходит за один проход сверху вниз. На данном этапе в качестве языка программирования может быть любой язык: Паскаль, Си и др. В системе Smart-MES используется Паскаль.

5) Преобразование языка программирования в результирующий машинный код.

Здесь используется соответствующий транслятор с используемого языка программирования. В нашем случае в результате получается программа DLL, которая используется в качестве сервера приложений.

Дополнительно к самоорганизующейся системе может быть использован диспетчер контекста, который постоянно будет анализировать текущий контекст и в случае необходимости автоматически внесет изменения в текстовые проекты технологических задач, т.е. выполнит первый этап, и запустит самоорганизацию всей системы. Таким образом, система начнет жить и самоадаптироваться ко всем изменениям без участия человека. Но если эти отдельные самоорганизующиеся системы представить в качестве агентов с взаимными связями по особым протоколам, то получится самоорганизующаяся мультиагентная система.

Структура и возможности Smart-MES

Конструктивно Smart-MES включает четыре составляющие: Конструктор АРМов, SQL-приложение, Графический редактор, WEB-приложение. Основным является Конструктор АРМов.

Конструктор АРМов осуществляет полную адаптацию Smart-MES к условиям конкретной электростанции и может эксплуатироваться в многопользовательской конфигурации клиент-сервер без SQL БД 3-х звенной структуры. Подобной конфигурации без SQL БД не может быть ни в одной другой системе, т.к. это наше ноу-хау. Конфигурация клиент-сервер 3-х звенной структуры без SQL БД это новое слово в инновационном развитии информационных технологий с прямым доступом к БД без использования медлительного SQL-языка. В данном случае имеется сервер информационных баз данных, сервер приложений и толстый клиент.

SQL-приложение, реализующее конфигурацию клиент-сервер с SQL БД, включает SQL-сервер, тонкий клиент и сервер приложений на DLL-программе. В данном случае SQL-сервер используется тот, который предпочитает электростанция. В самом начале функционирования на SQL-сервер закачиваются из Конструктора АРМов все настройки и базы данных, и Smart-MES в конфигурации клиент-сервер с SQL БД готова к работе.

Графический редактор нами был разработан, как самостоятельный программный продукт для создания архивных тепловых и электрических схем иерархической структуры в векторном формате с возможностью представления динамической информации. При создании Smart-MES Графический редактор был в нее интегрирован.

WEB-Приложение является экзотическим программным продуктом. Он позволяет размещать в Интернете все расчеты ТЭП с ручным вводом исходных данных и с аналитикой.

Такая многосторонняя реализация Smart-MES позволяет удовлетворить многие потребности Генерирующей компании для экономии топлива с целью увеличения энергоэффективности электростанций и значительно повысить ее привлекательность для инвесторов.

Можно много говорить и об интеллектуальных возможностях Smart-MES с использованием технологических срезов, и о ХОП (характеристика относительных приростов) оптимизации, и о симплексном методе решения задач линейного программирования, и о решении оптимизационных задач методом динамического программирования с минимаксной стратегией, и об инновационных алгоритмах предупреждения аварийных ситуаций. Но особо выделю лишь два немаловажных момента, т.е. Smart-MES – это полностью наша собственная разработка, аналогов которой нет даже за рубежом, и невероятная легкость внесения изменений в технологические задачи самими технологами электростанций.

В процессе длительной разработки Smart-MES мы осуществляли черновую адаптацию предыдущих версий Комплекса ПТО на двух десятках ТЭЦ, ГРЭС и АЭС. И что самое интересное, на каждой электростанции обязательно появлялись свои «хотелки», которые мы быстро реализовывали в системе.

Новое понимание Smart-MES для электростанций

Общим для всех электростанций является подход технологов к их управлению, т.е. технологи условно работают с технологическими срезами, которые диктуются планом поставки электроэнергии и тепла в конкретные промежутки времени суток и с учетом их реализуемости. При управлении выработкой электроэнергии и тепла следует добиваться нулевого перерасхода топлива в каждом текущем срезе при оптимизации загрузки оборудования. Иными словами, для каждого выработанного количества электроэнергии и тепла за полчаса существуют расчетные нормативные затраты топлива, и его фактические затраты не должны превышать эти нормативы.

Для этого система решает следующие технологические задачи:

1) Автоматизированный ввод данных.

На каждой из 300 электростанций имеются свои различные средства сбора данных с датчиков давления и температуры и со счетчиков электроэнергии. Они все имеют разных разработчиков, различную идеологию и свои базы данных. Поэтому из всех этих различных баз данных нужно собрать необходимую информацию в единую базу с восстановлением недостающих сигналов в необходимые отрезки времени – минута или полчаса.

2) Ручной ввод данных.

Месячный ввод данных используется для заведения плановых показателей для месячных задач. Суточный ввод используется для недостающих исходных параметров автоматизированного ввода и для условно-постоянных показателей. В этом случае суточные значения трансформируются в получасовые и минутные базы данных. А при необходимости для большей достоверности они могут обрабатываться регрессионными зависимостями вместе с параметрами, по которым присутствуют датчики.

3) Расчет ТЭП.

Все технологические задачи оформляются в виде текстовых проектов на простом инженерном метаязыке технолога с помощью инструментального средства «Конструктор проектов», где алгоритмы формируются с помощью шаблонов. Проект включает два основных описания задачи в табличном виде: описание колонок со станционными номерами однотипного оборудования (котел, турбина) и описание строк с исходными и расчетными показателями этого оборудования в следующем виде: обозначение, единица измерения, наименование, алгоритм расчета. После компиляции проектов автоматически создаются: базы данных, экранные формы, отчеты и расчетные DLL-программы. В результате полный расчет ТЭП (расчет фактических и нормативных ТЭП, отпуск тепла, затраты на собственные нужды и потери электроэнергии и тепла) любой электростанции выполняется менее 1 секунды.

4) Мониторинг показателей на БЩУ.

Постоянный мониторинг текущего перерасхода топлива на БЩУ создает принудительную мотивацию для эксплуатационного персонала по экономии топлива. При отсутствии данного мониторинга любой высококвалифицированный персонал обязательно допускает перерасход топлива на каждом технологическом срезе, т.к. он просто о нем ничего не знает. Перерасход топлива за месяц суммируется из всех перерасходов в каждом срезе.

5) Оптимальная загрузка оборудования.

Здесь имеется несколько подходов оптимизации: симплексный метод решения системы линейных уравнений, метод динамической оптимизации на полной модели электростанции с минимаксной стратегией, метод ХОП оптимизации. Следует отметить, что решение системы линейных уравнений реализуется как обычная технологическая задача на текстовом проекте.

6) Расчет прогнозного количества топлива.

Для расчета прогнозного количества топлива используются удельные затраты топлива на выработку электроэнергии и тепла. Но есть более точный метод расчета, который использует информацию о технологических срезах в базе знаний при нулевом перерасходе топлива. Для этого достаточно задать планируемый график поставки электроэнергии и тепла, а также сведения о работающем оборудовании.

7) Выявление аварийных ситуаций.

В данном случае с минимальным интервалом автоматизированного ввода данных сравнивается текущее состояние дискретных параметров с предыдущим. При выявлении изменения анализируется его корректность. В случае некорректности выдается сообщение на БЩУ. Алгоритмы корректности описываются также в текстовых проектах аналогично технологическим задачам.

8) Представление аналитики.

Для аналитики представлено множество инструментов: обзор показателей с настройкой для других аналитических инструментов, оперативный журнал, оперативный мониторинг, экспресс-анализ с возможностью построения иерархических схем без графического редактора. При вызове аналитики из экранной формы автоматически формируется журнал по заданному показателю для всех единиц конкретного оборудования и выводится график. Здесь же аналитику можно просматривать в разрезе получасов за сутки, в разрезе суток за месяц, в разрезе месяцев за год, а также в разрезе вахт за месяц.

9) Передача данных на верхний уровень.

По Интернет может быть передана любая информация, включая и оперативные данные по перерасходу топливу и основным текущим показателям электростанции.

10) Формирование отчетных документов.

Отчетные документы формируются как месячные задачи в виде текстового проекта. Месячные данные получаются накоплением суточных данных, а суточные и сменные накоплением получасовых. Месячные данные по вахтам формируются из данных по сменам на основе графика вахт.

11) Построение графических схем.

Графический векторный редактор позволяет создавать иерархические технологические схемы с представлением энергетических примитивов, рисунков и текстов. На эти схемы можно выводить текущую аналоговую и дискретную информацию.

12) Коррекция технологических задач.

Вся жизненность системы обеспечивается легкостью внесения любых изменений самими технологами в структуру расчетов и в алгоритмы задач. Все изменения вносятся посредством коррекции текстовых проектов с последующей их компиляцией без потери технологической информации в базах данных.

Интеллектуальность Smart-MES

Интеллектуальная система Smart-MES способна синтезировать цель, принимать решение к действию, обеспечивать действие для достижения цели, прогнозировать значения параметров результата действия и сопоставлять их с реальными, образуя обратную связь, корректировать цель или управление. Для этого она обладает запасом знаний и располагает методами решения задач.

Производственный процесс электростанции описывается следующим образом:

B = f(Э,Q), где: B - топливо, Э - электроэнергия, Q - тепло.

При оптимальном производственном процессе и при нулевом перерасходе топлива каждой паре (Э,Q) на получасовом отрезке соответствует строго определенное количество топлива (B). Имея базу знаний с набором различных сочетаний (Э,Q,B) за получасовые интервалы и план поставки (Э,Q) Smart-MES легко и мгновенно рассчитает (B) за любой период. В данном случае удельные расходы топлива и другие сложные расчеты для планирования и прогнозирования вообще не нужны.

То же самое касается и текущего производственного процесса. Также по базе знаний, но с иным набором сочетаний (Э,Q,Ri) по графику поставки (Э,Q) cистема выберет оптимальный набор (Ri) режимов работы оборудования. И в данном случае вообще нет необходимости решать оптимизационные задачи по загрузке оборудования, и не требуются высококвалифицированные технологи для управления электростанцией. Достаточно только в реальном времени с помощью Smart-MES контролировать перерасход топлива.

Обучение или формирование базы знаний Smart-MES происходит в текущем производственном процессе. На получасовых интервалах при нулевом перерасходе топлива и при оптимальной загрузке оборудования производится фиксирование данного среза (Э,Q,B,Ri) в базе знаний.

Таким образом, интеллектуальная Smart-MES, используя график поставки электроэнергии и тепла, с помощью базы знаний безошибочно будет подсказывать наилучшие решения в конкретных производственных ситуациях, а мониторинг текущего перерасхода топлива в реальном времени будет способствовать его экономии.

Немаловажным конкурентным преимуществом является и то, что Smart-MES является единственной отечественной MES-системой, предназначенной для электроэнергетики. Она легко впитывает любые системные пожелания генерирующих компаний. Вообще-то, необходимо только гордиться этой российской разработкой, которая вылилась в такую мощную инновационную самоорганизующуюся систему Smart-MES для любых непрерывных производств. Продвижение же ее именно для электростанций связано с моим огромным опытом работы в электроэнергетике и, особенно, на атомных электростанциях.