5. Структура и возможности системы Smart-MES

Логическая структура системы Smart-MES состоит из двух частей. Первой части соответствует конструктор АРМов (автоматизированное рабочее место). Конструктор всегда один для любых приложений, это EXE-файл. Второй части соответствуют приложения, это шаблоны с открытым кодом для их дальнейшего развития и изменения, поскольку каждое приложение уникально. В Конструкторе описываются модели информационных объектов. Все, что мы описали в Конструкторе, реализуется в приложениях. Мы можем корректировать все, что описали в Конструкторе – изменения мгновенно через компиляцию появятся в приложениях без перепрограммирования.

Конструктивно Smart-MES включает четыре составляющие: Конструктор АРМов, SQL-приложение, Графический редактор, WEB-приложение [2]. Основным является Конструктор АРМов. SQL-приложение и WEB-приложение работают по его настройкам. Система Smart-MES не имеет своих средств сбора данных непосредственно с датчиков, а осуществляет их импорт из существующих на электростанции автоматизированных средств нижнего уровня: АСУТП, АСКУЭ (электроэнергия), АСКУТ (тепло), АСКУГ (газ) и др. При отсутствии каких-либо исходных данных используется ручной суточный ввод с последующей трансформацией данных на уровень минутных расчетов.

Конструктор АРМов осуществляет полную адаптацию Smart-MES к условиям конкретной электростанции и может эксплуатироваться в многопользовательской конфигурации клиент-сервер без SQL БД (базы данных). В этом случае конструктор АРМов выполняет две функции: как рабочее место администратора системы для внесения всевозможных коррекций и как клиент с множеством функций. В данном случае есть одна очень важная особенность: используется клиент-сервер трехзвенной структуры. Подобной конфигурации без SQL БД не может быть ни в одной другой системе, это наше ноу-хау. Преимуществами такой конфигурации клиент-сервер являются: отсутствие SQL БД, высокая скорость расчета, огромное число аналитики и другие возможности.

Конфигурация клиент-сервер трехзвенной структуры без SQL БД – это новое слово в развитии информационных технологий. В то время, когда все поголовно перешли на клиент-сервер с западными SQL БД, мы предоставили неограниченные возможности нашей конфигурации клиент-сервер с прямым доступом к БД без использования медлительного SQL-языка. В нашем случае имеется сервер информационных баз данных, сервер приложений и «толстый» клиент. Все расчеты выполняет сервер приложений на DLL-программе.

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 начале функционирования на SQL-сервер закачиваются из Конструктора АРМов все настройки и базы данных, и система 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 (Свидетельство Роспатента № 2002610180 о государственной регистрации программы для ЭВМ, 2002 г.). При создании системы Smart-MES графический редактор был в неё интегрирован.

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

Такая многосторонняя реализация системы Smart-MES позволяет удовлетворить многие потребности Генерирующей компании для экономии топлива с целью увеличения энергоэффективности электростанций и значительно повысить ее привлекательность для инвесторов. В этой же системе легко реализуются задачи по предупреждению всех аварийных ситуаций.

Программа тогда будет полезной на электростанциях, когда она способна быстро адаптироваться ко всем изменениям. Но ведь даже простые расчёты ТЭП не всегда имеют прозрачную реализацию, не говоря уже о постоянных изменениях в технологии самой электростанции.

Процесс же составления расчёта в текстовом проекте в системе Smart-MES и отладка этих расчетов выполняется легко. В расчётах все показатели имеют обозначения, привычные для технологов,  и все алгоритмы расчётов можно легко сопровождать. Изменения в технологические задачи могут легко вноситься самими технологами электростанций.

Нами разработана теория математического моделирования любых ТЭЦ, ГРЭС, ГЭС, АЭС и она реализована на практике в виде инновационной самоорганизующейся системы Smart-MES для расчёта ТЭП и управления производством электростанции с минимизацией перерасхода топлива.

Теория моделирования состоит несколько основных Постулатов, направленных на осуществление функционирования полной математической модели электростанции, включающей оперативные расчёты фактических и нормативных ТЭП с возможностью оптимизации ресурсов методом динамического программирования.

Постулат 1. Обозначение всех технологических показателей должно быть в виде: <Показатель>[<Объект><Номер>]. Показатель - это обычное инженерное буквенное написание технологического параметра. Объект - это условное обозначение Котла<К>, Турбины<Т> и т.д. Номер - это станционный номер оборудования. Например: Qк_бр\уг[К8] - Выработка тепла котлом №8 на угле и газе, Этцi\сн[Т5] - Расход э/э на СН ТЦ т/а №5. Все расчётные алгоритмы должны формулироваться с использованием этих обозначений показателей.
Например: Qк_бр\у=[Dоп\у*[iпп-iпв]+Dпр\у*[iкв-iпв]]*1e-3+Qотоп.

Постулат 2. Все технологические расчёты должны оформляться в виде текстового Проекта. Проект задачи должен состоять из двух основных частей: Объекты и Показатели. Объекты - это описание колонок экранных и расчётных таблиц. Показатели - это описание строк экранных и расчётных таблиц в виде: Обозначение, Единица измерения, Наименование и Алгоритм расчёта.

Постулат 3. Вся система должна автоматически настраиваться при компиляции текстовых Проектов задач. То есть, должны автоматически генерироваться базы данных, экранные и расчётные таблицы, отчёты и проводник задач. Исполнительный Модуль должен оставаться неизменным и должен функционировать по настройкам системы.

Постулат 4. По сгенерированным расчётным таблицам должна автоматически создаваться DLL-программа с оптимизацией кода для общего расчёта получасовых, суточных и месячных задач. В DLL-программе весь расчёт должен производиться за один проход сверху вниз. Динамическая оптимизация многовариантности должна производиться на этой DLL-программе.

Постулат 5. Все нормативные графики работы оборудования должны вводиться в графическом виде и автоматически оцифровываться для использования их в расчётах.

Постулат 6. Все технологические алгоритмы в математической модели должны соответствовать текущим расчётам ПТО электростанции, выполненных, например, в MS Excel.

Система Smart-MES имеет несколько инструментов оптимизации ресурсов электростанции.

Необходимость оптимизации ТЭП на электростанциях определяется наличием многовариантности принятия управляющего технологического решения эксплуатационным персоналом. Перед электростанцией стоит, казалось бы, простая задача: Выполнить план поставки электроэнергии и тепла на существующем работающем оборудовании при минимуме затрат топлива. В настоящее время до сих пор эту задачу пытается выполнять человек без оперативного учёта перерасхода топлива, т.е. абсолютно впотьмах. Из этого следует, что главенствующая целевая функция по минимизации расхода топлива абсолютно не выполняется.

Здесь следует отметить, что и наличие мощной оптимизации не решает данной проблемы без текущего учёта перерасхода топлива на получасовых интервалах. Оптимизация в данном случае говорит, как надо сделать, а учёт показывает, что же в результате управления получилось, т.е. учёт является обратной связью. Но в настоящее время нет этой обратной связи, следовательно, и нет оптимального управления. А с другой стороны даже при учёте перерасхода топлива, но при отсутствии оптимизации также не может быть этого оптимального управления. Получается очень мрачная картина сегодняшнего дня: нет ни оптимизации ресурсов, ни учёта перерасхода топлива. Отметим также, что учёт перерасхода топлива – это получасовые расчёты разности фактического расхода топлива и нормативного расхода в реальном времени с предоставлением мониторинговой аналитики на БЩУ.

А сейчас об инструментах оптимизации ТЭП подробнее. Существует два подхода к оптимизации: участковая и общая. Участковая оптимизация рассматривает только часть оборудования без увязки с другой частью, например, оптимизация загрузки турбин. Общая оптимизация оперирует сразу всей моделью электростанции. Безусловно, общая оптимизация наиболее правильно определяет наилучшее решение, т.к. рассматривает все процессы во взаимосвязи. В системе Smart-MES реализована именно общая оптимизация.

К инструментам оптимизации можно отнести: Линейную оптимизацию на симплексном методе, Динамическую оптимизацию и ХОП оптимизацию.

Линейная оптимизация. Задача для данной оптимизации представляет собой систему линейных уравнений и целевую функцию. Данная задача не существует где-то в стороне, а непосредственно включается в математическую модель электростанции. Кстати, таких задач линейной оптимизации в расчётах может быть сколько угодно, объединённых в единую модель электростанции для оперативного расчёта в реальном времени фактических и нормативных ТЭП. Все эти системы линейных уравнений решаются модернизированным симплекс-методом, который обязательно приводит к конкретному решению.

Динамическая оптимизация. Данная оптимизация хотя и не присутствует в самом теле математической модели электростанции, но оперирует именно всей этой моделью. Динамический оптимизатор содержит данные определяющих факторов, для которых задаются возможные минимальные и максимальные значения, и данные минимаксной стратегии, для которых также задаются минимальные или максимальные значения с ранжированием их по приоритету. Суть динамической оптимизации заключается в том, что для всех определяющих факторов попеременно с определённым шагом задаются значения от минимального до максимального и рассчитываются результирующие показатели на полной модели с их фиксацией. Таким образом, проверяются все сочетания определяющих факторов. Вторым этапом является выбор оптимального варианта из всего многообразия в соответствии с минимаксной стратегией.

ХОП оптимизация. Данный вид оптимизации также оперирует с полной моделью электростанции. И в этом, и в выше описанных вариантах модель электростанции представляет собой полный набор расчётов фактических и нормативных ТЭП. ХОП (Характеристика Относительных Приростов) это график дифференциалов показателя (dy/dx) от минимального до максимального значения (x), а оптимизация это определение экстремума этого графика. Формулируется же задача следующим образом: Найти такое распределение ресурсов, при котором для увеличения мощности электроэнергии на определённую величину потребуется наименьшее увеличение затрат топлива.

Инновационная Smart-MES по всем этим видам оптимизации имеет настраиваемые инструменты, т.е. они не реализованы «в лоб», а могут легко изменяться в процессе эксплуатации.

Но следует особо остановиться на долях влияния на экономию топлива оптимизации ресурсов и учёта перерасхода топлива. Так, оптимизация ресурсов может дать экономию топлива всего в 3%, а учёт перерасхода топлива имеет возможность сэкономить более 10% топлива. Здесь вырисовывается интересная картина, что при реализации оптимизации ресурсов и без учёта перерасхода топлива даже эти 3% можно и не достичь, т.к. всё может съесть бесконтрольный перерасход топлива. А вот, совместная реализация и учёта перерасхода топлива, и оптимизации ресурсов легко даст экономию топлива более 13%.

Спецификация инструментального программного комплекса Smart-MES:

1)  Профессиональный  Комплекс ПТО - версия 6.x, в составе:
  * Конструктор АРМов (Автоматизированное Рабочее Место)
     - Создатель Системы для любой электростанции
     - Конструктор Проектов с автоматической настройкой Комплекса
     - Обработка нормативных графиков по оборудованию
     - Импорт данных из АСКУЭ, Excel, dBase, Access, SQL-сервера
     - Экспорт данных в Excel и Word для произвольных отчётов
     - Конструктор для подготовки посуточных и помесячных журналов
     - Дизайнер отчётов, генератор композиционных отчётов
     - Расчет показателей по сменам, суткам, месяцам и расчёт за произвольный период
     - Обзор Показателей с цифровой и графической аналитикой
     - Агент Безопасности (Предупреждение Аварийных Ситуаций)
     - Испытание оборудования и Режимная карта по оборудованию
     - Динамический Оптимизатор с минимаксной стратегией
     - Построитель ХОП (Характеристика Относительных Приростов)
     - Оперативные Журналы с графической аналитикой
     - Оперативный Мониторинг и Прогнозы
     - Экспресс - Анализ
  * Обработка диаграммных лент с помощью сканера
  * Агент по Предупреждению Аварийных Ситуаций в реальном времени
  * Менеджер Архивов баз данных, проектов, настроек и др. файлов
  * Примеры:  свыше 150 Проектов с 3000 нормативными графиками
  * Документация (Книга 2005, 2006 в электронном виде, книга 2007 в печатном виде)

2)  Приложение Клиент/Сервер 2 - версия 7.x
     Использует настройки Конструктора АРМов версии 6.x
  * Работает по трёхзвенной структуре с SQL – Серверами: Oracle, MS SQL Server, Sybase, SQLBase, Interbase, MySQL и другими

3)  WEB - Приложение для Интернет - версия 7.x:
     Использует настройки Конструктора АРМов версии 6.x
  * Подготовка БД и настроек для размещения на IIS WEB – Сервер
  * CGI – скрипт (выполнение расчёта в Интернете)

4)  Графическая система "ТЭС-Граф" - версия 5.x:
  * Графический редактор для Мониторинга Показателей ТЭП
  * Примеры: около 400 схем и формуляров по КТЦ, ЭЦ и ХЦ