Лаборатория № 30 «Проблем оперативного управления и планирования предприятий ТЭК»

Заведующий лабораторией № 30 Леонид Рафаилович СоркинТеоретические и прикладные разработки по автоматизации производства проводятся в Институте проблем управления РАН с начала 60-х годов в различных отраслях: энергетике, машиностроении, чёрной металлургии, нефтедобыче, нефтехимии и др. Разработки для предприятий топливно-энергетического комплекса (ТЭК) всегда занимали особо важное место, что и обусловило создание в 1991 г. проблемно-ориентированной лаборатории № 30 «Проблемы оперативного управления и планирования предприятий ТЭК», которая в течение многих лет занимала лидирующие позиции в этой области. Руководителем лаб. № 30 с момента её создания является д.т.н., профессор Леонид Рафаилович Соркин, который сейчас руководит ею на общественных началах.

Проводимые исследования и эффективное использование современных информационных технологий позволили создать условия для решения сложных междисциплинарных проблем планирования и управления в нефтегазовом комплексе, обеспечить принципиально более высокий уровень качества текущего и перспективного бизнес-планирования.

В лаборатории работали  доктора технических наук Н. В. Шестаков, А. С. Хохлов, А. В. Карибский, В. М. Дозорцев, Е. Н. Хоботов, Ю. В. Митришкин; кандидаты технических наук Ю. М. Цодиков, Д. В. Кнеллер, Ю. Р. Шишорин и др. Тематика исследований охватывала широкий спектр проблем: 

  • поддержка принятия решений для непрерывных и дискретно-непрерывных технологических процессов и производств;
  • автоматизация сложных технологических объектов;
  • моделирование и проектирование средств и систем управления;
  • обучение операторов сложных технологических объектов. 

В рамках основных направлений деятельности получены важные теоретические и прикладные результаты, связанные с исследованием и созданием: 

  • методологии построения компьютерных тренажёров реального времени для обучения персонала химико-технологических производств на базе современных методов математического моделирования и интерактивных вычислительных средств;
  • комплексного подхода к решению задач размещения, переработки и поставок сырья и продукции для интегрированных компаний;
  • методологии ведения и анализа процессов финансового планирования в интегрированных компаниях;
  • методологии моделирования и оптимизации схем магистрального транспорта нефти;
  • оптимизационных моделей смешения бензинов, дистиллятов, мазутов и масел, учитывающих нелинейные эффекты смешения;
  • методологии, моделей и методов формирования технологически и финансово согласованных проектов развития предприятий ТЭК. 

Полученные результаты успешно внедрялись в процессе выполнения крупных российских и международных проектов в области планирования и управления ТЭК.

Лаборатория активно участвовала в организации и проведении крупных международных конференций по своей тематике исследований. На основе обобщения опыта работ в области автоматизации процессов планирования и управления предприятиями ТЭК разработаны и реализуются учебные курсы, включающие лекционные и практические занятия для студентов старших курсов МФТИ и Университета нефти и газа им. И. М. Губкина.

Сотрудниками лаборатории разных лет опубликовано более 300 печатных работ, в том числе 14 монографий. Одновременно с организацией лаборатории в 1991 г. её сотрудники совместно с зарубежными коллегами создали СП «Петроком», долгие годы являвшееся ведущим поставщиком специализированного программного обеспечения для решения задач оперативного управления и планирования, а также обучения персонала на предприятиях ТЭК. Клиентами СП «Петроком» долгие годы были компании «Лукойл», «Роснефть», «Транснефть», «ТНК-ВР», «Сургутнефтегаз», ABB Lummus Global, UOP, FLUOR, Honeywell и др.

Первого февраля 2005 г. СП «Петроком» было приобретено корпорацией «Хоневелл» — признанным мировым лидером в автоматизации. Большая часть (около 50 человек) руководителей и специалистов лаб. № 30 и СП «Петроком» стали сотрудниками «Хоневелл». Это является мировым признанием достижений лаборатории.

В настоящее время коллектив лаб. № 30, включая докторов технических наук Е.Н. Хоботова, Ю.В. Митришкина, кандидатов технических наук Ю.М. Цодикова и Н.М. Карцева,  остаётся важной точкой роста кооперации Института с «Хоневелл», МФТИ,  МГУ и Университетом им. И. М. Губкина.

Группа сотрудников под руководством Цодикова Ю. М. продолжает исследования в области создания методологии, моделей и методов формирования технологически и финансово согласованных проектов развития предприятий ТЭК; поддержки принятия решений для непрерывных и дискретно-непрерывных технологических процессов и производств. Исследована проблема интерпретации несовместных задач оптимального планирования большой размерности и разработан алгоритм выбора вариантов для анализа (диагностики) несовместных ограничений. Трудности интерпретации решения несовместных задач оптимального планирования производства на практике являются одним из основных факторов, ограничивающих размерность таких задач. Проведено исследование эффективности метода последовательного линейного программирования (ПЛП) для решения нелинейных задач оптимального планирования производства НПЗ. Разработаны конкретные рекомендации по ускорению сходимости метода ПЛП для задач планирования большой размерности.

Группа сотрудников под руководством Хоботова Е.Н. проводит исследования в области создания моделей и методов планирования и построения расписаний работ на предприятиях машиностроения, а также моделей и методов выбора оборудования для производственных систем, участков и предприятий машиностроения при их модернизации и проектировании. Эти задачи в последние годы во всем мире вызывают повышенный интерес, поскольку создание эффективных методов планирования и расписаний работ в значительной степени будут способствовать успешной деятельности предприятий, а разработка эффективных методов выбора оборудования для производственных систем и участков позволит сэкономить значительные средства при модернизации производств.

Планы и расписания работ должны строиться таким образом, чтобы они были согласованными между собой для всех подразделений предприятия. Необходимость их построения вызвана тем, что из планов и расписаний работ отдельных подразделений, систем и участков, пусть и весьма удачных, не всегда удается сформировать даже удовлетворительные планы работы предприятий, а без них вряд ли удастся повысить эффективность работы предприятий. Такие согласованные между собой для всех подразделений предприятия планы и расписания работ в дальнейшем будем называть планами и расписаниями работ на уровне предприятий.

Для построения планов и расписаний работ на уровне предприятий не существовало удовлетворительных методов. Сотрудниками группы Хоботова Е.Н. для построения подобных планов и расписаний работ был предложен подход, основанный на использовании методов агрегирования информации.Идеи агрегирования информации, предложенные для построения расписаний работ оказались весьма продуктивными. С их помощью удалось предложить другую организацию изготовления комплектующих, когда их обработка производится группами, которые формируются по описанным выше принципам. Это позволяет:

  • разработать методы, построения расписаний обработки комплектующих на уровне предприятий;
  • организовать эффективную доставку деталей между производственными подразделениями;
  • более эффективно управлять межцеховыми транспортными средствами предприятия;
  • детализировать «каркасные» расписания до расписаний обработки отдельных деталей на всем используемом оборудовании.

Разработанные методы выбора оборудования для предприятий машиностроения также разработаны с использованием идеи агрегирования информации.

Под руководством Митришкина Ю.В. решены две задачи кинетического управления плазмой для токамака ITER. В первом случае разработана и моделировалась на коде ASTRA (НИЦ «Курчатовский институт») адаптивная система управления с развязкой каналов мощностью термоядерного горения, а во втором случае разработана нелинейная система управления профилем тока плазмы с учетом ограничений на входные воздействия источников дополнительного нагрева. Система промоделирована на кинетической модели плазмы, содержащей уравнение Грэда-Шафранова и уравнение диффузии  плазмы (ГНЦ РФ ТРИНИТИ).

Для проекта токамака Т-15 решена задача переноса обмотки горизонтального магнитного поля для управления неустойчивым вертикальным положением плазмы из расположения вне обмотки тороидального поля в расположение между вакуумной камерой и обмоткой тороидального поля. Такой перенос обеспечил системе управления вертикальным положением плазмы необходимое свойство внутренней устойчивости, поскольку в этом расположении обмотка горизонтального поля не экранировалась другими обмотками полоидального поля.  Для модели вертикального движения плазмы в Т-15 синтезированы и промоделированы модальная система, система с LMI-регулятором, а также система с прогнозирующей моделью с целью выяснения возможностей данных систем при управлении с исполнительными устройствами в виде многофазного тиристорного выпрямителя и инвертора напряжения на транзисторах типа IGBT. При этом было установлено, что для подавления малых срывов требуется мощность 5-6 МВт.

Разработан стенд реального времени на компьютерах с операционной системой xPC Target от компании MathWorks. В стенде с Host PC загружаются симьюлинк-схемы, конвертированные в С-код, в модели объекта и регулятора, соединенные по схеме обратной связи и реализованные на компьютерах реального времени. Такой стенд позволил промоделировать системы магнитного управления плазмой в ITER и токамаке Т-15 в реальном времени, показав правомерность данного направления реализации систем управления плазмой посредством стендов реального времени.

Для действующего сферического токамака Глобус-М разработаны и применены быстродействующие системы управления положением плазмы на аналоговых ПИД-регуляторах и тиристорных инверторах тока в качестве исполнительных устройств в автоколебательном режиме работы с частотой до 3 кГц. На токамаке имеется набор PF-обмоток, включенных в контуры управления токами в этих обмотках с тиристорными управляемыми многофазными выпрямителями и ПД-регуляторами. Эти контуры позволяют управлять магнитными поверхностями плазмы программным способом в каждом разряде. Это дало возможность собрать базу данных плазменных разрядов, которая позволила разработать и промоделировать иерархические системы управления положением, током и формой плазмы с кодами восстановления равновесия плазмы в обратной связи. При этом были разработаны и созданы два кода восстановления равновесия плазмы по магнитным измерениям вне плазмы: методом итераций Пикара при решении уравнения Грэда–Шафранова посредством функций Грина и методом подвижных филаментов в среде MATLAB. Относительно восстановленных массивов равновесий плазмы в течение разрядов по экспериментальным данным были построены массивы линейных моделей плазмы, которые при линейной интерполяции привели к линейным моделям с переменными параметрами. Для таких нестационарных моделей плазмы разработаны системы с нестационарными робастными H-регуляторами с переключением и согласованием вектора состояния при управлении потоком на сепаратрисе и полями в Х-точке, а также с линейной интерполяцией H-регуляторов при управлении зазорами между первой стенкой и сепаратрисой, которые были исследованы математическим моделированием по новой методике с одновременным применением линейных моделей, сценарных экспериментальных сигналов и кодов восстановления в обратной связи. Сочетание кода восстановления с подвижными филаментами с управлением потока на сепаратрисе показало наибольшее быстродействие системы с возможностью реализации ее в реальном времени на токамаке Глобус-М2 на промышленных компьютерах компании Speedgoat с операционной системой SimulinkRT от компании MathWorks. Построена новая нестационарная эволюционная модель плазмы с распределенными параметрами, для которой применены каскадные системы с робастными ПИД-регуляторами для управления положением плазмы и токами в PF-обмотках токамака Глобус-М, настроенными посредством количественной теории обратной связи (QFT), а также H¥-регулятор для управления  формой плазмы. На линейной модели плазмы Глобус-М разработан внешний контур управления положением плазмы и токами в PF-обмотках методом линейных матричных неравенств по оценке вектора состояния для повышения качества управления и запаса устойчивости.

Предложен принцип адаптации вертикального положения плазмы к ее форме, когда неустойчивое вертикальное положение плазмы стабилизируется специальным быстродействующим контуром для достижения консенсуса с формой плазмы. Этот принцип был применен к ITER и токамаку Глобус-М.

Дальнейшая перспектива работы связана с внедрением в практику физического эксперимента сферического токамака Глобус-М2 цифровых систем управления плазмой с перенесением полученного экспериментального опыта работы на проектирование электромагнитной системы и цифровой системы управления плазмой на сферический модуль-токамак термоядерной электростанции.

Работы Ю.В. Митришкина по управлению плазмой размещены на сайте Института.