Построение моделей и виртуальных симуляторов технологических процессов – одно из ключевых и важных направлений, которое предоставляет возможности для быстрого анализа и профилактики производственных проблем, а также решения задач по повышению эффективности работы промышленных объектов. Программный продукт Proficy CSense компании GE Intelligent Platforms, предлагает богатый инструментарий для построения эмпирических моделей по набору исторических производственных данных и последующего решения целого ряда задач, часто возникающих на предприятиях. Данный продукт может использоваться для работы как с производствами непрерывного типа, так и с дискретными и порционными (периодическими) процессами.

Основное назначение и решаемые задачи

Пакет Proficy CSense является интеллектуальной надстройкой над базами оперативных и исторических производственных данных. Его ключевое назначение – извлечение информации о протекании технологических процессов из исторических данных, а также построение функциональных связей и генерация статистических моделей (типа черного ящика) зависимости целевых показателей эффективности (KPI) процессов от параметров технологического режима для того или иного объекта. На основе построенных моделей данный продукт позволяет проводить симуляции различных режимов работы объектов, не экспериментируя при этом на реальном оборудовании. Помимо этого, предоставляется возможность решения широкого класса задач по усовершенствованию технологических процессов, среди которых отметим следующие:

• диагностика и поиск причин отклонений параметров процесса от желаемых значений,
• построение виртуальных анализаторов,
• задачи стабилизации и оптимизации целевых показателей эффективности,
• задачи мониторинга состояния оборудования.

В качестве результатов настоящий продукт позволяет формировать решения различных видов, начиная от офлайн синтеза управляющих воздействий с созданием активных правил и рекомендаций по коррекциям работы процесса и заканчивая онлайн решениями в режиме советчика и возможностью создания APC (Advanced Process Control). Таким образом, настоящий продукт представляет собой мощный аппарат для построения различных интеллектуальных систем на производственных предприятиях.

Используемые методы и подходы

Proficy CSense поддерживает интеграцию с широким набором источников данных:

• базы данных Microsoft Access, MySQL, SQL Server, Oracle;
• архивы PI System, Proficy Historian, Wonderware Historian;
• АСУТП через OPC интерфейс;
• различные текстовые данные и пользовательские форматы .Net

Для обработки и подготовки статистики для моделирования в пакете можно проводить корреляционный анализ данных, который используется как для выбора декоррелированных входных параметров модели и определения ключевых факторов, влияющих на KPI, так и для нахождения временных запаздываний KPI от входов модели. Заложена также возможность проведения частотного анализа данных для определения цикличности различных показателей.

Построение моделей здесь реализовано с помощью современных методов машинного обучения. Причем продукт позволяет строить многомерные модели различной степени сложности: как линейные, так и сильно нелинейные. Для построения сложных нелинейных зависимостей используется аппарат искусственных нейронных сетей. Помимо этого, имеется возможность программировать собственные модели или добавлять функции, созданные в других приложениях. Для решения оптимизационных задач в продукт интегрирован солвер, позволяющий решать задачи с простыми линейными ограничениями интервального типа. Несмотря на сложный математический аппарат, используемый в продукте, работа в нем достаточно комфортна и удобна.

Составные модули и принцип работы продукта

Программный продукт Proficy CSense состоит из трех основных частей: Troubleshooter, Architect и модуль Action Object Manager совместно с Report Server (рис. 1).

Рис. 1: Компоненты Proficy CSense

Компонент Troubleshooter предназначен главным образом для обработки исторических данных и созданию моделей технологических процессов. Наличие богатого интерфейса для визуализации и анализа статистической информации является одним из плюсов данного приложения, что существенно помогает в подготовке исторических данных для моделирования. Troubleshooter подразделяется на подмодули для работы с непрерывными процессами (Continuous Troubleshooter) и дискретными и порционными технологическими процессами (Discrete & Batch Troubleshooter), которые отличаются подбором методов и инструментов для моделирования соответствующих производств. Работа в Troubleshooter состоит из ряда интуитивно понятных шагов.

1. Импорт данных: помимо интеграции с разнообразными источниками, имеется и интерфейс для объединения данных, собранных из различных баз (рис. 2).

Рис. 2: Импорт и объединение различных источников данных в Proficy CSense Troubleshooter	Рис. 3: Интерфейс наглядного представления и обработки статистических данных в Troubleshooter

2. Визуализация и подготовка данных (рис. 3):

• тренды и гистограммы,
• диаграммы рассеяния (scatter plot),
• статистические характеристики,
• выделение рабочих или ложных областей (brushing),
• корреляционный и частотный анализ, определение временных задержек (рис. 4).

Рис. 4: Корреляционная матрица, спектральный анализ, статистика и определение задержек

3. Построение моделей.

Для непрерывных процессов (рис. 5):

• нелинейные модели (нейронные сети),
• модели правил, четкой и нечеткой логики.

Рис. 5: Построение нелинейных моделей в Continuous Troubleshooter

Для порционных процессов (рис. 6):

• модели, основанные на методе главных компонент и методе проекции на латентные структуры,
• модели типа деревьев решений и классификация.

Рис. 6: Моделирование в Discrete & Batch Troubleshooter

4. Анализ результатов моделирования, определение причин отклонений, просмотр сценариев «что-если» и структур зависимостей «вход-выход» и др. (рис. 7).

5. Офлайн оптимизация для оценки потенциала возможных улучшений процесса (для непрерывных процессов, рис. 10).

6. На основе предыдущих шагов: построение офлайн решений в виде активных логических правил и рекомендаций по управлению процессом.

Рис. 7: Окно анализа моделей и причин отклонений в Troubleshooter	Рис. 8: Пример проекта в Architect

Модуль Architect обеспечивает проведение симуляций на моделях, построенных в Troubleshooter, и создание онлайн решений (рис. 8). Помимо этого, в нем самом содержится богатый инструментарий для многокомпонентного моделирования и оптимизации как в режиме офлайн, так и в реальном времени. Имеются возможности для программирования собственных моделей и объектов, а также для интеграции объектов, созданных во внешней среде.

Action Object Manager & Report Server – сервис размещения и запуска в реальном времени на объекте решений, разработанных в Troubleshooter и Architect (рис. 9). В паре с сервером отчетов (Report Server), который предоставляет сервис веб-отчетов и наглядного представления различной аналитической информации (рис. 10 и 11), этот модуль формирует Run time оболочку исходного продукта.

Рис. 9: Интерфейс размещения онлайн решений

Результаты и эффекты от использования

Существенный эффект от использования пакета Proficy CSense можно получить не только на тех производствах, где есть MES-системы сбора, хранения и обработки данных, но и там, где имеются только необработанные данные с систем уровня АСУТП. Если статистика показывает большую вариативность процессов и остро стоит задача по стабилизации и оптимизации объектов, а также имеется возможность активного управления этими объектами, то использование Proficy CSense позволяет значительно повысить эффективности производства. Помимо этого, использование в реальном времени моделей, реализованных в данном пакете, как виртуальных анализаторов технологических процессов может быть полезным в качестве поддержки принятия решений по оперативному управлению на производствах.

Рис. 10: Пример интерфейса оператора в Report Server	Рис. 11: Пример веб-отчета в Report Server

Пример реализации

На установке получения бутадиена реализована система по оптимизации удельного потребления водяного пара в режиме реального времени. Система выдает подсказки оператору (часть интерфейса показана на рис. 10) по оптимальному ведению режима с точки зрения как экономии пара, так и стабилизации качества выходного продукта на желаемом уровне (рис. 12). На рис. 13 приведен пример работы виртуального анализатора по качеству выходного продукта.

Рис. 12: Минимизация расхода пара и стабилизация качества продукта в колонне получения бутадиена

Рис. 13: Виртуальный анализатор качества бутадиена (синий – минутный тренд). Редкие лабораторные данные – красный тренд

Заключение

В завершение, подчеркнем основное назначение продукта:

• создание симуляторов производственных процессов на основе эмпирического моделирования для непрерывных и дискретных производств;
• создание различного рода офлайн решений и решений в реальном времени как в режиме советчика, так и в виде APC;
• использование многофункционального сервиса отчетов и построения интерфейсов для решений на основе Proficy Report Server.

На базе пакета Proficy CSense компания «ИндаСофт» предлагает широкую гамму решений по построению интеллектуальных систем на производственных предприятиях.