ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ  БУРОВЫХ ПЛАТФОРМ РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ШЕЛЬФА Б

Аннотация: В XXI веке сухопутные месторождения нефти и газа в Республике Крым истощаются, происходит освоение морских месторождений буровыми   нефтедобывающими платформами. Конструкция буровых платформ прошла эволюцию от неподвижных платформ до мобильных передвижных платформ (МП), работающих на глубинах до трех километров, поэтому в настоящее время требуется создание интеллектуальных систем управления оборудованием буровых платформ (ИСУБП).  Анализ литературных данных и постановка проблемы показали, что основной проблемой построения ИСУБП на базе интегрированных программно-аппаратных средств является внедрение комплексных систем, обеспечивающих интеграцию данных из различных источников и приложений, в комплексную среду оперативного контроля и управления в реальном времени и поставляющих информацию на верхний уровень. При этом целью и задачами исследований является повышение качества принятия решений при ИСУБП путем разработки и замены элементной базы вычислительной техники и коммуникационных систем информационно автоматизированного комплекса МП. Задачей исследований являлось создание автоматизированного комплекса МП путем внедрение единой системы внутренних информационных коммуникаций платформы, а также обеспечение автоматизированного режима управления административной и хозяйственной деятельности платформы для обеспечения полнофункционального контроля из единой операторной. Материалы и методы исследовательского анализа данных приведенных факторов направлены на решение поставленной цели и включает в себя процессы, при которых функции управления платформой и его оборудованием передаются приборам и техническим устройствам и выполняются без участия человека. Результатами исследований установлено, что автоматизированные системы МП собирают всю информацию давая оператору лучший обзор ситуации в целом. Общая информация показывается на станции управления любой системы управления. Система аварийного отключения должна минимизировать последствия чрезвычайных ситуаций, связанных с неконтролируемым процессом. Модульная конструкция системы обеспечивает гибкость в конфигурировании системы к индивидуальным требованиям системы от систем с низким уровнем сложности сигнализации до системы мониторинга с передовым процессом управления. В результате можно сделать вывод, что повышение качества принятия решений при управлении МП снизит в первую очередь эксплуатационные расходы, увеличит срок службы систем и оборудования, улучшит планирование технического обслуживания и логистики.

Ключевые слова: интеллектуальных систем управления, буровые нефтедобывающие платформы, шельф, система, модель

Введение. В настоящее время к созданию интеллектуальных систем управления оборудованием буровых платформ (ИСУБП) для новых объектов в нефтедобычи и реконструкции действующих предъявляется ряд весьма жестких требований экономического и технологического характера. Система должна быть разработана и внедрена в сжатые сроки, полностью соответствовать предъявляемым на объекте требованиям по безопасности и качеству управления с возможностью модернизации и расширения и отвечать требованием теротехнологии. По мере истощения разведанных сухопутных месторождений газа осваивались морские - Стрелковское в Азовском море и Голицынское в Каркинитском заливе Черного моря. В 1983 году завершено строительство газопровода от Голицынского месторождения до Глебовского газопромысла. В 1961 году разведочная скважина, вскрывшая породы раннемелового периода на Октябрьской площади (Тарханкут), дала фонтан газа и нефти с глубины около 2700 м. Дебит фонтана составил: нефти 45 м3 и газа 50 тыс. м3 в сутки. Газ состоял на 61 % из метана, на 22% из этана и пропана и относился к группе сухих.. Количество углеводородного сырья, имеющегося на суше, исчерпывается, поэтому направление освоения месторождений Азово-Черноморского шельфа требует использования добычи его мобильными передвижными платформами. Это обеспечит  развитие экономики  Крымского федерального округа  углеводородным сырьем. Конструкция буровых платформ прошла эволюцию от неподвижных платформ до мобильных передвижных платформ, работающих на глубинах до трех километров.

Анализ литературных исследований. Для определения буровых платформ, эксплуатируемых на шельфе, существует устоявшийся термин – оффшорные конструкции. Они включают в себя оборудование для бурения скважин, добычи нефти и газа, оборудование для хранения добываемых ресурсов. Обычно на платформе находится более ста человек, поэтому имеются все необходимые системы обеспечения жизнедеятельности. Чтобы обеспечить полную автономность на платформе устанавливают генераторы электроэнергии и опреснители воды. Но практически все крупные  платформы на шельфе обслуживаются специализированными судами, которые в первую очередь выполняют функцию снабжения и  буксировки платформы, доставки обслуживающего персонала и функции тушения пожара в аварийной ситуации.

Постановка проблемы. Повышение эффективности работы технологического процесса, а также обеспечение нового качества управляемости технологическим процессом на мобильных платформах(МП) нефтегазодобывающей отрасли обеспечивается за счет достоверной и оперативной информации от всех локальных подсистем объектов МП в рамках создания единого информационного пространства МП.   Проблемой построения ИСУБП на базе интегрированных программно-аппаратных средств является внедрение комплексных систем, обеспечивающих интеграцию данных из различных источников и приложений, в комплексную среду оперативного контроля и управления в реальном времени и поставляющих информацию на верхний уровень.

Цель и задачи исследований является повышения качества принятия решений при ИСУБП путем разработки и замены элементной базы вычислительной техники и коммуникационных систем информационно автоматизированного комплекса (ИАК) МП. Задачей исследований являлось создание автоматизированного комплекса МП путем внедрение единой системы внутренних информационных коммуникаций платформы, а также обеспечение автоматизированного режима управления административной и хозяйственной деятельности платформы для обеспечения полнофункционального контроля из единой операторной.

Методы и материалы исследований.  Решение поставленной цели   включает в себя процессы, при которых функции управления платформой и его оборудованием передаются приборам и техническим устройствам и выполняются без участия человека. Нефтяные и газовые беспилотные платформы имеют в среднем помещения для персонала 30 человек и укомплектованы пультом дистанционного управления и средствами автоматизации. Беспилотные платформы контролируются с помощью спутниковой связи от берегового диспетчерской станции, в которой непрерывно ведется контроль за всеми процессами, происходящими на платформе. Персонал платформы выполняет только ежемесячные посещения для осмотра состояния и технического обслуживания оборудования. Основой автоматизации беспилотных платформ являются DCS-системы. DCS-системой (Distributed Control System) принято называть большую систему управления, поставляемую в полном комплекте одним производителем. В комплект системы входят контроллеры (управляющие процессоры), платы и модули ввода/вывода, сетевое оборудование, рабочие станции, программное обеспечение - как правило, все от одного производителя. Нами проанализированы DSC-системы компаний Foxboro, Emerson, Honeywell, которые наиболее использованы в   России. Эти системы появились в девяностые годы 20-го века. К наиболее популярным системам этого класса, нашедшим широкое применение на российском рынке автоматизации, следует отнести: I/A Series (компания Foxboro); RS/3, Delta-V (компания Emerson); TDS3000, PlantScape, Experion (компания Honeywell); Centum 1000, Centum 3000 (компания Yokogawa). DCS-системы разрабатывались для автоматизации непрерывных технологических процессов. Сегодня область применения этих систем - автоматизация и непрерывных, и дискретных процессов. В общем, система автоматизированного комплекса нефтяных платформ является объединение в единую сеть автоматизированного комплекса, серверов, коммуникационного и вспомогательного оборудования и организации доступа в единую информационно-телекоммуникационную сеть управляющей месторождением компании, расположенной на берегу. Автоматизированный комплекс нефтяных платформ предоставляет вычислительные и информационные ресурсы персоналу, управляющему платформой.

Основным назначением систем автоматизации управления оборудованием: автоматизация процессов сбора и получения достоверной информации с технологических объектов; оперативный контроль и управление процессами подготовки нефти; повышение безопасности производства; снижение трудоемкости управления технологическими процессами; сокращение численности обслуживающего персонала; уменьшение простоев оборудования; повышение эффективности принятия решений по управлению технологическими процессами на базе единой системы диспетчеризации. На платформе устанавливается комплексная система за контролем и безопасностью, системы безопасности технологических процессов, контроль оборудования и прогнозируемое программное обеспечение для технического обслуживания, которое может выполнять мгновенные проверки оборудования системы с помощью спутниковой связи. Система безопасности, используемая на платформе, включает в себя аварийную остановку оборудования, пожарную систему безопасности и систему обнаружения утечек нефти или газов. Удаленное управление и мониторинг всего оборудования на платформе осуществляется с помощью облачных технологий.

Результаты исследований. Проведем анализ DCS-систем I/A Series фирмы FOXBORO (INVENSYS PLC) (рис.1). Одним из самых  конкурентоспособных в мире оборудованием систем управления является компания Foxboro (Investory PLC). Основой данной распределенной системы управления является система управления «I/А Series» (Intelligent Automation Series) компании Foxboro. Центральным компонентом системы считается сеть управления Mesh. Данная сеть (рис.1) основывает коммутируемую сеть Fast Ethernet, которая использует стандарты IEEE 802.3u (Fast Ethernet 100 Мб) и IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet 1 Гб). Основную роль в сети играют коммутаторы. Их количество и расположение определяет структуру системы управления. К коммутаторам подключаются различные компоненты системы управления. Устройствами системы являются рабочие станции WP и AW (подключение к сети без использования интерфейсных модулей), управляющие процессоры FCP270, управляющие процессоры ZCP270.

Выделяют следующие основные группы оборудования: -управляющий процессор FCP270, обеспечивающий прямое соединение через волоконно-оптический кабель 100 Мб/с Ethernet с сетью управления Mesh и непосредственное соединение с полевой шиной без использования интерфейсного модуля. -модули ввода/вывода серии FBM200, включая группу модулей системных интеграторов. К подсистеме ввода/вывода относятся модули ввода/вывода FBM200, базовые платы и терминальные панели. Модуль ввода/вывода бывает следующих типов - аналоговые, цифровые, модули связи с интеллектуальными датчиками и модули системных интеграторов, с помощью которых подключаются технические средства других производителей. -вспомогательное оборудование - базовые платы, терминальные панели, процессорные корзины, блоки питания.

Следующей проанализированной системой была  DCS-система DELTA V фирмы EMERSON. Система Delta V представляет собой набор контроллеров и рабочих станций различного назначения. Она включает в себя 4 контроллера и 4 рабочих станции (Рис.2). В системе имеются контроллеры трех типов: МЗ, М5 Plus. В состав контроллера включен блок питания, процессорный модуль и модули ввода/вывода.

В системе используют контроллеры модульного типа.  Подсистема ввода/вывода системы Delta V включает несущие 8-слотовые панели, клеммные блоки для подключения полевых устройств, устанавливаемые на несущей панели, модули аналогового и дискретного ввода/вывода, источники питания устройств. Имеется возможность добавления новых модулей ввода/вывода во время работы оборудования. Также возможно подключение цифрового модуля ввода в/в по полевой шине Foundation Fieldbus. Использование полевой шины FF позволяет увеличить информационный поток, так как по одному кабелю к контроллеру может быть подключено до 16 полевых устройств. Кроме того, шина FF обеспечивает удаленное конфигурирование интеллектуальных датчиков и их диагностику. Анализ DCS-система experion фирмы HONEYWELL представлен ниже. Платформа Experion имеет три сетевых уровня. На верхнем информационном уровне, формирующем связи рабочих станций друг с другом, с серверами, с корпоративной сетью предприятия, используется типовая сеть Ethernet в двух вариантах: нерезервированная сеть Ethernet/Fast Ethernet и Fault Tolerant Ethernet – лицензированная разработка фирмы Honeywell. Она построена на резервированных кабелях и обеспечивает множественные связи между узлами сети, что приводит к сохранению связей при единичных и даже множественных сбоях в сети.  Контроллер С200 является контроллером системы Experion PKS. Модули ввода/вывода контроллера являются интеллектуальными: установленный в них процессор управляет опросом датчиков, выполняет преобразование измеряемой величины в цифровую форму, производит заданные математические и логические действия. Модули ввода/вывода располагаются в том же каркасе, что и контроллер или выносятся в отдельных каркасах непосредственно в цеха и соединяются с ним через полевую сеть ControlNet с использованием оптоволоконных технологий. Возможно резервирование модулей ввода/вывода. Максимальное их число на один контроллер – 64 ед. Большинство модулей ввода/вывода имеют гальваническую развязку. Для создания систем противоаварийной защиты используется специальный контроллер противоаварийной защиты фирмы Honeywell – Fail Safe Controller (FSC), имеющий центральный процессор с четырехкратным резервированием. Удаленные модули ввода/вывода могут работать при влажности, загрязненности, агрессивности окружающей среды, иметь модификации с защитой от коррозии. В системе Experion PKS могут функционировать несколько типов рабочих станций. Рабочая станция типа Flex обладает наибольшими возможностями. В качестве клиента она может быть подсоединена к серверу Experion PKS через сеть Ethernet, Internet или посредством радиосвязи. Станция типа Flex либо непрерывно соединена с сервером либо подключается к нему в отдельные периоды по желанию инженерного персонала предприятия. Все механизмы безопасности и авторизации подключения сохраняются вне зависимости от способа ее соединения. Рабочая станция типа Console имеет одно важное отличие: доступ к контроллерам осуществляется непосредственно (а не через сервер) с использованием сети Fault Tolerant Ethernet. Использование станций этого типа целесообразно при автоматизации быстрых непрерывных процессов, требующих постоянного внимания оператора. Рабочая станция типа Console Extension является расширением рабочей станции Console и подключается непосредственно к ней, как к серверу через сеть Fault Tolerant Ethernet. Кроме того, в системе Experion PKS могут использоваться мобильные рабочие станции беспроводной связи Mobile PKS. При управлении производством в комплексе могут использоваться несколько систем Experion PKS со своими серверами, каждый из которых обслуживает свой объект автоматизации. В этом случае устанавливается еще один центральный сервер, обслуживающий диспетчерский пункт предприятия и все указанные серверы обмениваются информацией для создания единой БД. В этом случае перечень данных, сообщений аварийной сигнализации, трендов на любой станции оператора (диспетчера) производства может формироваться из измеряемых значений разных объектов автоматизации, охватываемых системами Experion PKS. Серверы и рабочие станции могут оперативно резервироваться.

Компьютеры, используемые в станциях, работают в многозадачном и многопользовательском режиме. Программное обеспечение, как правило, имеет привычный интуитивно понятный интерфейс, что сокращает процесс обучения.

Обсуждение результатов исследований. Автоматизированные системы МП собирают всю информацию давая оператору лучший обзор ситуации в целом. Общая информация показывается на станции управления  любой системы управления. Система аварийного отключения (ESD) должна минимизировать последствия чрезвычайных ситуаций, связанных с неконтролируемым процессом.

Система управления включает в себя основной сервер и сервер истории событий. Эти серверы подключены через пару контроллеров сетевого интерфейса, имеющие активный и резервный сетевые коммутаторы, которые связаны друг с другом и с маршрутизаторами, которые обеспечивают маршрутизацию и распределение информации между береговыми и морскими сетями данных с помощью спутниковой связи.

Архитектура системы управления имеет модульную конструкцию, и состоит из станций управления и модулей ввода/вывода, соединительных с местными сетями передачи данных. Для безопасности и простоты установки система управления децентрализована, но работает централизовано с помощью станций управления. Каждый модуль ввода/вывода имеет возможность настройки параметров, чтобы соответствовать конкретным задачам определенной системы. Гибкая архитектура системы управления позволяет подключение дополнительных модулей ввода/вывода для расширения функциональности. Система имеет распределенную иерархическую структуру, в которой можно выделить следующие основные уровни:

первичные средства автоматизации (измерительные преобразователи и датчики, приборы местного контроля, вторичные приборы, исполнительные устройства и механизмы);

программно-аппаратные средства на базе программируемых логических контроллеров, оборудование промышленных сетей передачи данных, преобразователи интерфейсов и протоколов, система бесперебойного питания и т. п.;

программно-аппаратные средства дистанционного контроля и управления технологическими процессами из операторского пункта.

Модульная конструкция системы обеспечивает гибкость в конфигурировании системы к индивидуальным требованиям системы от систем с низким уровнем сложности сигнализации до системы мониторинга с передовым процессом управления.

Взаимодействие оператора осуществляется через интерактивные цветные графические шаблоны на станции управления, или локально, с местных станций управления. Количество шаблонов в системе зависит от количества оборудования и систем, находящихся под контролем. В каждый шаблон закладывались основные свойства оборудования, характеризующие его с технической стороны и в контексте диспетчерского контроля и управления (например, пределы и единицы измерения датчика, уставки для генерирования алармов, необходимость архивирования, дополнительная справочная информация и т. п.). Из этих шаблонов затем генерировались и настраивались объекты приложения, непосредственно привязанные к конкретному оборудованию. Объекты группируются в зависимости от привязки к технологическому агрегату, агрегаты – к производственной площадке и т. п. В результате создается логическая древовидная модель производства с возможностью детализации информации на всех уровнях.

Сервер распознает основные операции, проводимые на скважине, хранит поступающие данные в соответствующих файлах, которые формируются: - в функции времени (сохранение информации, получаемой от датчиков и расчетные уставки с выбранным шагом по времени); - в функции реальной глубины (сохранение информации через выбранный шаг записи по глубине); -  в функции глубины отставания (информация по раствору и газовому анализу); - в функции событий (значения наращивания и компонентный состав за период времени работы хроматографа); - в функции ручного ввода данных (реология бурового раствора, характеристика долота, параметры скважины, компоновка бурильного оборудования, результаты анализа проб шлама).