1. سنسور نرم و کاربرد آن در صنعت نفت کشور
بنام خدا
سنسور نرم و کاربرد آن در صنعت نفت کشور
علیرضا فاتحی
گروه پژوهشی اتوماسیون و کنترل پیشرفته فرایندها (اِیپک)
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
APAC Research Group, KNTU

2. APAC Research Group, KNTU
فهرست مطالب
معرفی
اصول و ویژگیهای سنسور نرم
کاربردهای سنسور نرم در صنعت
معرفی جزئیات برخی کاربردهای سنسور نرم در صنعت نفت
گفتگو و تبادل نظر در کاربرد سنسور نرم در صنعت نفت کشور
APAC Research Group, KNTU

3. APAC Research Group, KNTU
معرفی شخصی
علیرضا فاتحی
دانشیار و عضو هیات علمی دانشکده های برق و کامپیوتر (1380)
مدیر گروه پژوهشی اِیپک
مدیر راه اندازی پژوهشکده «بهره وری صنعت نفت»
استاد مدعو در دانشکده مهندسی شیمی و مواد، دانشگاه آلبرتا، کانادا،
APAC Research Group, KNTU

4. پژوهشکده «بهره وری صنعت نفت»
در مرحله اخذ مجوز
گروه های پژوهشی:
اتوماسیون و ابزار دقیق
شیمی میادین نفت
سامانه های مکانی صنعت نفت
مدلسازی مخازن نفت و گاز
23 عضو هیات علمی دانشگاه
انجام حدود 100 پروژه برای صنایع و سازمانها
APAC Research Group, KNTU

5. بکارگیری روشهای پیشرفته و نوین کنترل و اتوماسیون در صنایع کشور
گروه پژوهشی اتوماسیون و کنترل پیشرفته فرایندها (اِیپک) Advanced Process Automation & Control (APAC)
تاسیس: 1386
انجام پروژه های تحقیقاتی در جهت
بکارگیری روشهای پیشرفته و نوین
کنترل و اتوماسیون در صنایع کشور
APAC Research Group, KNTU

6. APAC Research Group, KNTU
APAC Facilities
Research areas
5 Laboratories with around 250 m2 area space
Advanced Control Systems lab.
Fault detection lab.
Industrial Automation lab.
Process Control lab.
Mechatronics lab.
APAC Research Group, KNTU

7. APAC Research Group, KNTU
APAC designed plant
4_tank+flow (4TF)
pH plant
APAC Research Group, KNTU

8. APAC Research Group, KNTU
Rescue Robots
Mobile Rescue Robot
Intelligent robot
Small Size soccer
APAC Research Group, KNTU

9. APAC Research Group, KNTU
Mechatronics plants
APAC Research Group, KNTU

10. APAC Research Group, KNTU
Process plants
Pressure
Flow
Temperature
Level
APAC Research Group, KNTU

11. APAC Research Group, KNTU
Mechatronics plants
APAC Research Group, KNTU

12. پروژه های انجام شده در صنعت نفت
طراحی و ساخت سیمولاتور دینامیکی توربین گاز GT10B و کمپرسور Demag Deval ، شرکت ملی گاز ایران، (با همکاری شرکت توربوتک)
طراحی و ساخت سیستم مجتمع مونیتورینگ عملکرد تشخیص خطای اجزا مختلف توربین گاز GT10B و کمپرسور Demag Deval ، شرکت ملی گاز ایران، (با همکاری شرکت توربوتک)
امکان سنجی کاربرد سیستمهای کنترل پیشرفته در پالایشگاههای کشور، شرکت ملی پالایش و پخش فراورده های نفتی ایران، 1389
طراحی و ساخت سیستم کنترل پیشرفته بر مبنای کنترل چندگانه برای دستگاه خنثی سازی pH، شرکت ملی پالایش و پخش فراورده های نفتی ایران، 1389
APAC Research Group, KNTU

13. پروژه های انجام شده در صنعت نفت
بررسی درستی تاثیر تزریقNAOH در بازده جداسازی نفت از خاک، دانشگاه آلبرتا- شرکت سینکرود کانادا،
بهینه سازی سیستم توزیع آب/بخار در فرآیند استخراج نفت به روش SAGD، دانشگاه آلبرتا- شرکت سانکور کانادا،
تشخیص منبع خطای گسترش یافته در فرایند Upgrading، دانشگاه آلبرتا- شرکت سانکور کانادا،
ساخت رباتهای خودکار متحرک و هدایت شوند امدادگر، معاونت پژوهش و فناوری شرکت ملی نفت،
APAC Research Group, KNTU

14. سایر تجربیات پژوهشی در صنعت نفت
تخمین ويژگي های مخازن هیدروکربني با استفاده از داده های لرزه نگاری و بهره گیری از شبکه های عصبي،4-1393
پایش عملکرد و تنظیم کنترل کننده ها با ترکیب معیارهای فنی و اقتصادی و تست آن برای یک واحد استخراج گاز،
طراحی سیستم هوشمند برای تشخیص وشناسایی خطا در واحدهای غلظت‌شكن و به‌سازي كاتاليستي پالایشگاه،
طراحی سنسور نرم‌ جهت پیش‌بینی غلظت محصول در یک واحد تولید فرمالین،
APAC Research Group, KNTU

15. APAC Research Group, KNTU
کنترل فرایند پیشرفته
طراحي و ساخت سيستم کنترل پیشرفته عمومی (UCS) براي فرايندهاي صنعتي، وزارت صنایع،
تشخیص و شناسایی خطا در توربین گاز v94.2 زیمنس، شرکت مکو-مپنا،
مدلسازی و کنترل مکان پلاسما در دستگاه توکامک، پژوهشگاه گداخت و فیزیک پلاسما،
مدلسازی و تشخیص خطا در کوره دوار سیمان، شرکت سیمان ساوه،
APAC Research Group, KNTU

16. APAC Research Group, KNTU
اتوماسیون صنعتی
تجربیات صنعتی سخنران
عضو تیم راه اندازي كارخانه هاي سيمان خاش (1374) و هرمزگان (6-1375)
کارشناس سيستمهاي اتوماسيون در شركتهای احداث صنعت و احداث كنترل ( و ): مشاور پروژه های سیمان داراب، سیمان خوزستان، سیمان حماء (سوریه) و سيمان طرطوس (سوريه)
طراحي و ساخت سيستم كنترل راكتور آزمايشگاه شيميايي، شركت خاك رنگبر 1372
APAC Research Group, KNTU

17. اصول و ویژگیهای سنسور نرم (Soft Sensor)
APAC Research Group, KNTU

18. کنترل و مانیتورینگ پیشرفته در صنعت
Industrial Control & Automation Systems
Process Control
Advanced Control Structures
PID Auto Tuning
Advanced Process Control (APC)
Condition Monitoring
Fault Detection
Identification
Performance Monitoring
Soft Sensors
Alarm Management
Instrumentation
Automation
Systems
Fieldbus
HMI
Control System Configuration
Interlock
APAC Research Group, KNTU

19. APAC Research Group, KNTU
سنسور نرم
برنامه ای کامپیوتری که بر اساس اندازه گیری ها و اطلاعات موجود در فرایند، تخمینی از متغیرهایی که اندازه گیری مستقیم آنها با مشکل مواجه است ارائه می دهد.
APAC Research Group, KNTU

20. نحوه کار سنسور نرم Under study variable: Fast-rate sensors
فرایند
Under study variable
Fast-rate sensors
and actuators
Fast-rate & accurate estimation
Under study variable:
Slow-rate lab variable data
Inaccurate sensors
Expensive sensors …
APAC Research Group, KNTU

21. سنسور نرم شرکتهای صنعتی
Honeywell: Profit SensorPro
Emerson: DeltaV™ Neural
Siemens: INCA Sensor
Yokogawa
ABB …
APAC Research Group, KNTU

22. APAC Research Group, KNTU

23. مثال: تخمین فشار داخل چاه (Downhole Pressure) Petrobras, Brazil
APAC Research Group, KNTU

24. APAC Research Group, KNTU
مدل فرایند
u1: TT3 Temperature before production choke valve u2: PT3 pressure before shutdown valve u3: TT2 Wet Christmas tree temperature y1: PT1 downhole pressure
APAC Research Group, KNTU

25. APAC Research Group, KNTU
حسگر نرم (Soft Sensor)
حسگر نرم افزاری (Software sensor)
حسگر‌ استنتاجی (Inferential sensor)
حسگر‌ مجازی (Virtual sensor)
آنالیزگر‌ مجازی آنلاین (Virtual on-line analyzer)
حسگر‌ بر پایه رویتگر (Observer-based sensors)
APAC Research Group, KNTU

26. APAC Research Group, KNTU
چرا سنسور نرم؟
اندازه گیری فعلی توسط آزمایشگاه در بازه های زمانی مشخص انجام می شود
ارائه تخمین آنی بر اساس اندازه گیری آزمایشگاهی و اطلاعات سایر سنسورها
مشخصات نفت و گاز خروجی از چاه، کیفیت بخار تولیدی در بویلرها، ...
سنسور سخت افزاری گران قیمت است و امکان خرابی آن زیاد است
ارائه تخمین بر اساس اطلاعات سایر سنسورها و مدل فرایند
فشار داخل چاه نفت، سنسورهای فراساحل، اشعه گاما، ...
امکان اندازه گیری مستقیم وجود ندارد
مشخصات کل مخزن نفتی، درجه حرارت ناحیه احتراق، ...
APAC Research Group, KNTU

27. APAC Research Group, KNTU
کاربردهای سنسور نرم
ارائه تخمینی از متغیر اندازه گیری نشده
تشخیص خطا در سنسورهای موجود
تشخیص خطا در عملکرد فرایند
جایگزینی سنسور سخت افزاری
افزایش نرخ نمونه برداری
بازسازی داده ها
ارائه راهکار به اپراتورها در راهبری فرایند
استفاده در حلقه کنترل
APAC Research Group, KNTU

28. APAC Research Group, KNTU
مراحل ساخت سنسور نرم
تحلیل‌های اولیه
تحلیل فرایند و ارزیابی اثر گذاری متغیرها بر هم
جمع آوری داده ها
پیش پردازش داده ها: حذف نویز، داده های پراکنده، جبران تاخیر
طراحی سنسور
انتخاب متغیرهای موثر در مدل
انتخاب ساختار مناسب
تخمین مدل فرایند
بکارگیری سنسور
در نظر گرفتن نکات ایمنی کاربرد سنسور
تشخیص عملکرد نادرست سنسور
به روزرسانی دوره ای سنسور
APAC Research Group, KNTU

29. APAC Research Group, KNTU
1) تحلیل‌های اولیه
تحلیل فرایند و ارزیابی اثر گذاری متغیرها بر هم
تجربه متخصصان
توصیف فرایند (Process Description، P&ID)
APAC Research Group, KNTU

30. APAC Research Group, KNTU
1) تحلیل‌های اولیه
جمع آوری داده ها
استفاده از داده های گذشته
تغییر عملکرد فرایند در طول زمان یا شرایط مختلف
توجه به وجود داده های با نرخ های متفاوت
توجه به پیش آمدن عیب، اینترلاک و غیره
APAC Research Group, KNTU

31. APAC Research Group, KNTU
1) تحلیل‌های اولیه
پیش پردازش داده ها
حذف نویز با فیلترهای اولیه داده (در عین عدم حذف یا دستکاری داده های مفید)
حذف داده های بدون اطلاعات مفید مثل داده های تکراری، نواحی ماندگار
تشخیص، حذف یا جبران دادهای پراکنده (Outlier)
تشخیص و جبران انحرافات فصلی و پیوسته
وجود تاخیر و تشخیص اولیه آن
APAC Research Group, KNTU

32. APAC Research Group, KNTU
2) طراحی سنسور
انتخاب متغیرهای موثر در مدل
تجربه متخصصان فرایند
بررسی عملکرد فرایند
تست های آماری
تحلیل همبستگی
تحلیل اطلاعات متقابل
محاسبه عدد لیپشیتز
APAC Research Group, KNTU

33. بررسی فرایند و انتخاب ورودی و خروجی ها
%G Sp.
Product Flow SP.
XMV1:4,6,7
%G SP.
Product Flow rate SP.
APAC Research Group, KNTU

34. تحلیل همبستگی (Correlation Analysis)
APAC Research Group, KNTU

35. APAC Research Group, KNTU
2) طراحی سنسور
انتخاب ساختار مناسب برای مدل
نوع مدل
مدل استاتیک یا دینامیک
مدل خطی یا غیر خطی
چاه شماره 3
چاه شماره 1
APAC Research Group, KNTU

36. APAC Research Group, KNTU
2) طراحی سنسور
انتخاب ساختار مناسب برای مدل
ساختار مدل
مدل فیزیکی (First Principles Model)
رگرسور خطی یا غیرخطی
مدلهای همبستگی
فیلتر کالمن و فیلترهای ذره ای (Particle Filters)
کمترین مربعات جزئی (Partial Least square- PLS)
شبکه های عصبی، مدلهای فازی
مدلهای چندگانه …
APAC Research Group, KNTU

37. APAC Research Group, KNTU
2) طراحی سنسور
تخمین مدل فرایند
جبران اثرات نویز
مشخصات نویز
داده های پراکنده Outlier
APAC Research Group, KNTU 37

38. APAC Research Group, KNTU
2) طراحی سنسور
تخمین مدل فرایند
تاخیر
تخمین تاخیر
نرخهای متفاوت نمونه برداری
چاه شماره 3
تاخیر اندازه گیری
نمونه برداری
اندازه گیری
APAC Research Group, KNTU

39. APAC Research Group, KNTU
2) طراحی سنسور
تخمین مدل فرایند
نقص در داده ها
داده های گم شده (Missing Variable)
متغیرهای پنهان (Latent Variable)
APAC Research Group, KNTU

40. متغیرهای پنهان (Latent Variable)
Froth Flow rate
Slurry Flow rate
APAC Research Group, KNTU

41. APAC Research Group, KNTU
3) بکارگیری سنسور
در نظر گرفتن نکات ایمنی کاربرد سنسور
تعیین محدوده خطا سنسور
تعیین محدوده عملکرد سنسور
APAC Research Group, KNTU

42. APAC Research Group, KNTU
3) بکارگیری سنسور
شخیص عملکرد نادرست سنسور
تعیین آزمونهای کارآیی
کالیبراسیون و به روزرسانی سنسور
به روز رسانی دوره ای
به روز رسانی روی خط
APAC Research Group, KNTU

43. بررسی نمونه هایی از کاربردهای سنسور نرم در صنعت
بررسی نمونه هایی از کاربردهای سنسور نرم در صنعت
APAC Research Group, KNTU

44. اندازه گیری مشخصات تولید در چاه دریایی
BP & ABB
Troika field, Gulf of Mexico
Wells TA-1 (15294 ft TVD), TA-5 (16462 ft TDV)
Data: April 1st - Sept 15th, 2000
APAC Research Group, KNTU

45. APAC Research Group, KNTU
سنسورهای موجود
APAC Research Group, KNTU

46. APAC Research Group, KNTU
سنسور نرم
اهداف طراحی
ارزیابی عملکرد سنسورهای موجود
تخمین مقادیر برخی متغیرهایی که سنسور ندارند
تخمین متغیرهایی که سنسور آنها آسیب دیده است
متغیرهای تخمین زده شده
Oli production from each well
Pressure drop
Bottom hole pressure
Water production
APAC Research Group, KNTU

47. تخمین دبی آب موجود در نفت در چاه TA-5
Input sensor:
The venturi inlet pressure and temperature sensor
The vena contracta pressure and temperature sensor
The well head pressure and temperature sensor
Physical information
The upper tubing from the downhole flow meter to the well head
Composition of the oil and density of the water
The venturi tube
APAC Research Group, KNTU

48. ارزیابی کیفیت مقایسه سنسور نرم و نتیجه آزمایشگاهی
مقایسه سنسور انتهای چاه و
نتیجه آزمایشگاهی
APAC Research Group, KNTU

49. اندازه گیری ویسکوزیته نسبی
شرکت BASF
نروژ
فرایند تولید پلیمر
APAC Research Group, KNTU

50. Case 1: Polymer production
Process with inherent time lags and dead times
Production of 2 different grades
Relative viscosity (polymer / solvent) is main product specification
laboratory analysis QI QI
Reaction
Granulation
Extraction
Drying
Monomer
Polymer
15 h
18 h

51. Soft sensor for relative viscosity
Relative viscosity is measured twice per day with high precision (0.01)
(laboratory / offline) analysis time is 4h
Potential in avoiding off-spec production:
fast detection of new product specification during grade change
fast reaction on disturbances influencing relative viscosity
reduction in number of (expensive) offline analysis
continuously and easily measurable variables
η = f(T,p,m) ●
prediction of relative viscosity
model

52. Engineering and implementation
UNILAB (Siemens)
PHD (Honeywell)
Digital Control System
EXCEL (MS)
JMP (SAS)
PRESTO (IPCOS)

53. Results: comparison model / analysis
2 models (low/high grade) after granulation
2 models (low/high grade) after drying
Multiple Linear Regression (MLR)
input parameters (reaction and granulation section)
18 months
Relative Viscosity after drying
laboratory analysis
soft sensor

54. Relative viscosity is provided continuously with high precision!
Results: grade change
Relative viscosity
model based sensor
labo analysis
Relative viscosity is provided continuously with high precision!
RMSE < 0.009
80% of errors < 0.01
98% of errors < 0.02

55. APAC Research Group, KNTU