КОМПЛЕКС ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Полезная модель относится к области информационно-измерительной техники, преимущественно к измерительным устройствам - комплексам программно-технических средств, предназначенных для автоматического сбора данных в виде электрических сигналов (токовых, счетно-импульсных) с первичных преобразователей (например, датчиков давления, расхода), их обработки, накопления, передачи информации по выделенным каналам связи (проводным и радиоканалу с помощью радиомодема и радиостанций, сотовой связи) на сервер диспетчерского пункта, формирование сигналов управления и передача их исполнительным устройствам. Комплекс применяется в составе автоматических и автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления технологическими процессами, технологическими линиями и агрегатами.
Предлагаемая полезная модель может быть использована в различных отраслях промышленности, например, в нефтяной - для контроля и управления нефтепромыслами; в машиностроительной - для управления автоматическими линиями и агрегатами, в энергетике - для учета и регулирования энергоресурсов.
Известен комплекс линейной телемеханики для построения распределенных систем контроля и управления техническими объектами с использованием радио- и проводных каналов связи, выпускаемый ГУПНН «Авитрон-Ойл [1].
Комплекс предназначен для телеконтроля и телеуправления объектами линейной части магистрального нефтепровода в составе автоматизированной системы диспетчерского контроля и управления технологическими процессами.
Комплекс осуществляет сбор и обработку информации с первичных датчиков, формирует сигналы управления исполнительными устройствами, осуществляет прием и передачу информации по каналу связи, сигнализацию
состояний и сохранение данных при перебоях питания, тестирование составных частей комплекса.
Основой комплекса телемеханики являются модули программируемых контроллеров серии МК-4хх. Серия программируемых модулей МК-4хх позволяет создавать распределенные автоматизированные системы с различными интерфейсами и каналами передачи информации.
Средства автоматики серии «САТУРН» на базе модулей МК-4хх позволяют решать задачи автоматизированного контроля и управления территориально распределенными объектами управления в нефтедобывающей отрасли, такими как автоматические групповые замерные установки (АГЗУ) типа «Спутник», погружные центробежные насосы (ЭЦН), штанговые глубинные насосы (ШГН).
Предлагаемая ГУПННН «Авитрон-Ойл» система телемеханики и средства автоматики «САТУРН» помогают облегчить контроль за технологическим оборудованием месторождения. Но их особенность в том, что все они направлены на решение частных задач и в этом плане мало отличаются от ранних образцов телемеханики на базе станций «САКМАР», представляющих собой лишь набор средств контроля для относительно самостоятельных территориально разнесенных и функционально обособленных производств нефтегазодобычи. В результате информационный комплекс добывающего предприятия состоит из не связанных друг с другом фрагментов, что затрудняет или делает невозможным получение необходимых данных для принятия ключевых производственных решений.
Погрешность измерительных каналов таких распределенных систем контроля и управления технологическими объектами, например, добычи нефти и газа ШГН, определяется как среднеквадратичное погрешностей первичного преобразователя-тензорезисторного датчика силы, установленного на полированном штоке станка - качалки нефтедобывающей скважины, нормализаторов тока, искробезопасного барьера типа МК-480, измерительных модулей ввода - вывода аналоговых сигналов серии МК-405 контроллерных шкафов ШГН с учетом дополнительных погрешностей, обусловленных влиянием
температурного фактора (рабочего диапазона температур от -40 до +60°С) и составляет 6-8%.
Незначительная дисперсия результатов измерения на каждом элементе массива измерительной информации в результате суммирования ошибок приводит к абсурдному результату.
Низкая точность составляющих компонент системы телемеханики, несвоевременность получения измерительной информации и принятия управляющих решений, способны привести к возникновению неуправляемого процесса добычи нефти и газа.
В такой ситуации работа НГДУ напоминает расписание пассажирского поезда, меняющегося случайным образом без предупреждения пассажиров.
В результате чего снижается дебит добываемой нефти и рентабельность нефтегазодобывающего предприятия.
Известен комплекс технических средств серии ADAM-5000, выпускаемый научно-производственной фирмой Advantech (диллер фирма ProSoft) [2], предназначенный для реализации распределенных систем, в которых сбор данных и управление исполнительными устройствами осуществляется удаленными многоканальными модулями ввода-вывода. Встроенные программные средства, позволяющие настраивать диапазоны входных сигналов и устанавливать условия выдачи управляющих воздействий при достижении значений измеряемых параметров, предоставляют пользователю максимальную гибкость при создании системы. Для обмена данными с управляющим компьютером могут использоваться различные линии связи: симметричная витая пара, волоконно-оптическая линия связи или радиоканал.
Серия ADAM-5000 предназначена для реализации систем с использованием протоколов Fielbus. Устройства серии ADAM-5000, базирующиеся на стандарте EIA RS-485 протоколе CAN (Controller Area Network), позволяют строить для сбора данных и управления три вида многоточечных промышленных сетей, управляемых центральным компьютером: системы на базе интерфейса RS-485; системы на основе промышленной шины CAN; системы произвольной
конфигурации. Последняя система реализуется на основе программируемого контроллера ADAM-5510, выполненного на базе микропроцессора 801188 и работающего под управлением операционной системы Datalight ROM-DOS. Программное обеспечение для ADAM-5510 может быть создано как с помощью традиционных языков программирования так и с помощью языков логического программирования, соответствующих стандарту МЭК-1131-3.
Комплекс как правило состоит из двух компонентов: базового блока ADAM-5000 и модулей ввода-вывода. Базовый блок содержит модуль процессора, преобразователь постоянного напряжения, 4-х позиционную объединительную плату и порты последовательной связи. Устройства серии ADAM-5000 сохраняют работоспособность в диапазоне температур от -10 до +70°С. Скорость обмена данными между устройствами комплекса по последовательному каналу связи достигает до 115200 бит/с.
К недостаткам вышеуказанного комплекса технических средств [2] следует отнести ограниченный диапазон температур -10÷+70°С, в которых могут эксплуатироваться модули серии ADAM-5000, сохраняя свою работоспособность. При эксплуатации комплекса в районах Крайнего Севера, Западной Сибири или Урала, где средний нижний предел температуры доходит до минус 40°С, модули серии ADAM-5000 требуют дополнительной установки в специальный шкаф с обогревом, что приводит к усложнению конструкции комплекса, вызывает дополнительные финансовые затраты и не всегда приемлемо с точки зрения безопасности (взрывобезопасности) при эксплуатации на опасных производственных объектах.
В основу настоящей полезной модели положена задача создания такого комплекса программно-технических средств, который был бы лишен недостатков выше перечисленных моделей и отличался бы более высокой точностью получения измерительной информации, более широкими функциональными возможностями и гибкостью.
Поставленная задача решается тем, что в программно-техническом комплексе, согласно предложению, применен новый утвержденный тип
измерительно-вычислительного комплекса «МЕГА» (Госреестр средств измерений №19124-99) со схемными решениями, позволяющими создавать автоматические и автоматизированные системы различного функционального назначения достаточно большой конфигурации, быстродействия, емкости и гибкости со сравнительно высокой точностью измерительной информации, для решения задач измерения, сбора, обработки информации, диагностики и управления в рабочих диапазонах температур от минус 40 до +60°С
Сущность полезной модели поясняется конкретным примером ее выполнения.
На фиг.1 (один из вариантов исполнения) показана структурная схема программно-технического комплекса для автоматизированного контроля и управления распределенными технологическими процессами добычи нефти и газа (станки-качалки нефтедобывающих скважин, насосные установки, пункты учета тепловой и электрической энергии).
Верхний уровень - центральный сервер комплекса. Состоит из индустриального компьютера с программным обеспечением конфигурирования и настройки контроллеров и программой визуализации, контроля и управления технологическими процессами. Компьютер, как правило, работает с сетью полевых контроллеров «МЕГА» через контроллер связи и сервер опроса (второй уровень), поддерживающий пакетный протокол обмена данными по радиоканалу или по интерфейсному каналу. Центральный сервер осуществляет фоновый циклический опрос всех контроллеров системы, архивирует все изменения параметров и сигналов, визуализирует состояние технологического процесса.
Нижний уровень - контролируемые пункты «Мега». Они преобразуют входные сигналы от датчиков, контролируют работоспособность исполнительных механизмов, определяют аварийные ситуации, включают/выключают оборудование, поддерживают пакетный протокол обмена данными по различным каналам связи, осуществляют накопление данных, выполняют функции ретранслятора при обмене данными между сетью контроллеров и центральным компьютером.
В состав комплекса входят два вида измерительных каналов: аналоговые входные каналы (предел допускаемой приведенной погрешности измерения тока
в диапазоне рабочих температур от -40 до +60°С, не более 0,2%) и дискретные входные каналы типа «сухой контакт», используются также как счетно-импульсные (предел допускаемой абсолютной погрешности счета импульсов для интервалов измерения не менее 1 минуты - ±1 импульс).
При подключении измерительно-вычислительного комплекса утвержденного типа «МЕГА» к датчикам силоизмерительным тензорезисторным утвержденного типа ДПН-Т20 (Госреестр №30012-05), устанавливаемым между опорными плитами траверсы канатной подвески станков- качалок штанговых глубинных насосов нефтедобывающих скважин, образуются сертифицированные электроизмерительные каналы (фиг.2), позволяющие автоматически в цифровом виде с нормируемой погрешностью (приведенная погрешность 0,6%, дополнительная погрешность при изменении температуры окружающей среды на 10°С - ±0,25%) определять абсолютную нагрузку, действующую на полированный шток станка-качалки в зависимости от его положения, и представлять измерительную информацию в виде теоретических и практических динамограмм и количества добываемой жидкости на экранах компьютеров диспетчерского пункта и технологических объектов.
На фиг.2 представлена схема измерительного канала динамометрирования скважины; на фиг.3 - схема датчика силоизмерительного тензорезисторного; на фигурах 4 и 5 соответственно - теоретическая динамограмма станка-качалки штангового глубинного насоса нефтедобывающей скважины и практическая динамограмма для определения дебита жидкости (нефти).
Размещенный в траверсе датчик (фиг.3) преобразовывает знакопеременные нагрузки, возникающие между опорными плитами траверсного узла станка-качалки, в электрический сигнал разбаланса тензометрического моста 1. Одновременно активный элемент датчика ускорения 2 в зависимости от ускорения движения траверсы изменяет напряжение постоянного тока на своем выходе. Электрические сигналы с тензометрического моста и с выхода датчика ускорения подаются на соответствующие два канала аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 3 для поочередного преобразования в цифровую форму.
Управление микросхемой датчика нагрузки и ускорения осуществляется от встроенного электронного микроконтроллера 4 через выводы интерфейса SPI. Встроенный контроллер позволяет задать режим работы АЦП - инициализацию, калибровку или преобразование; усиление предусилителя АЦП в восьмикратном диапазоне; входное смещение усилителя со знаком; точность преобразования - 24 разряда; время преобразования - от 1 до 200 мсек. Для сопряжения выходов встроенного контроллера с программируемым логическим контроллером измерительно-вычислительного комплекса «Мега» служит буферный преобразователь 5 интерфейса RS 485, расположенный на той же плате, а также кабель связи.
Сигналы в цифровом виде, поступающие от силоизмерительного тензорезисторного датчика на контроллер измерительно-вычислительного комплекса «Мега» (фиг.2), обрабатываются по специальной программе и измерительная информация по каналу связи - радиоканалу УКВ или сотовой связи GPRS поступает на компьютеры диспетчерского пункта и технологических объектов.
По запросу пользователя измерительная информация выводится на экраны дисплеев в виде графиков - зависимости усилия, действующего на полированный шток станка-качалки в зависимости от его положения (теоретических и практических динамограмм), что позволяет автоматически путем соответствующих расчетов, заложенных в программу, определять количество (дебит) добываемой жидкости, например, нефти.
Согласно методике расчета, используемой в программах, производительность глубинно-насосной установки (приравниваемая к дебиту скважины) прямо пропорциональна площади сечения плунжера, числу качаний и эффективной длине хода плунжера:
н
пл
шт
Q=1440×F×S×n×α,
пл
2
где F - площадь сечения плунжера, м
шт
S - длина хода полированного штока, м
n - число качаний, 1/мин
α - коэффициент подачи насоса
1440 - количество минут в сутках.
Коэффициент подачи насоса зависит от нескольких величин, и его определяют после освоения скважин из сравнительной (контрольной) динамограммы в процессе работы скважины:
α=К1×К2×К3×β,
где K1 - коэффициент, характеризующий герметичность глубинно-насосного оборудования;
К2 - коэффициент, характеризующий изменение объема жидкости, откачиваемой насосом после ее дегазации на поверхности и равный обратной величине объемного коэффициента пластовой жидкости;
- отношение длины хода плунжера к длине хода полированного штока;
эф
S - эффективная длина хода плунжера, измеренная на практической динамограмме, при движении с открытым нагнетательным клапаном (с момента открытия нагнетательного клапана до его закрытия), мм.
Модульная компоновка программно - технического комплекса позволяет индивидуально оснащать каждый объект в зависимости от предъявляемых к нему требований. Применение комплекса одинаково эффективно как для небольших объектов (от нескольких десятков сигналов), так и для крупной системы, управляющей процессами и интегрирующей информацию от подсистем с различных объектов. Комплекс можно постоянно наращивать, увеличивая, при создании на его базе локальных сетей, информационную емкость системы и изменяя его конфигурацию.
Высокая скорость передачи информации по сравнению с аналогами позволяет, например, в считанные доли секунды реализовать сложные алгоритмы управления автоматическими установками. Комплекс обеспечивает большую скорость передачи информации по GSM/GPRS сети, которая максимально приближена и для прерывистого графика, характерного для сетей Интернет/интранет. Скорость доступа от 14,4 Кбит/ с (при использовании одного временного слота) и до 115 Кбит/с (при объединении нескольких слотов). Система GPRS реализует пакетную коммутацию на всем протяжении канала связи, существенно оптимизируя услуги передачи данных в сетях стандарта GSM. Она практически мгновенно устанавливает соединения, использует сетевые ресурсы и занимает участок диапазона частот только с момента фактической передачи данных, что гарантирует чрезвычайно эффективное использование доступной полосы частот и позволяет делить один канал между несколькими пользователями. Пакеты данных передаются одновременно по многим каналам, что и определяет выигрыш в скорости. Система GPRS предусматривает передачу не только данных но и голоса, причем достоверность и надежность при обмене информацией, высокие скорости, а также возможность организации удаленного контроля и получения ответной реакции на текущую ситуацию соответствуют основным требованиям, предъявляемым к АСУ ТП.
Комплекс прост в эксплуатации и удобен в освоении благодаря стандартизации и унификации составляющих его компонентов и набору заранее проработанных решений.
Схемные решения как составляющих компонентов измерительно-вычислительного комплекса «МЕГА», так и создаваемых локальных сетей, применяемое современное программное обеспечение, позволяют создавать особо ответственные автоматические и автоматизированные системы сигнализации, диагностики и управления различной конфигурации и информационной емкости, с достаточно большой глубиной ретроспективного анализа, точностью и скоростью передачи измерительной информации в рабочем диапазоне температур
от минус 40 до +60°С в реальном масштабе времени, что выгодно отличает предлагаемый комплекс от своих аналогов и прототипа.
Это расширяет функциональные возможности комплекса.
Комплекс позволяет максимально приблизить скорость сбора и представления информации к скорости принятия производственных решений, что особенно важно в условиях динамично изменяющейся внешней среды.
Комплекс позволяет рационально управлять технологическими объектами и процессами (нефтепромыслом), с максимальной экономической эффективностью. Его внедрение - гарантия предсказуемости развития процесса эксплуатации предприятия. Важно также отметить сокращение издержек, экономию всех видов ресурсов, рост производительности труда, повышение конкурентоспособности предприятия.
Из доступных источников информации автор не выявил устройство со сходными признаками.
Предлагаемое техническое решение (схемо-технические решения) осуществлено в промышленности при создании программно-технического комплекса, изготавливаемого по ТУ 4232-001-42980001-2004 и может быть использовано для автоматического измерения количества добываемой нефтяной скважиной жидкости, например, нефти, контроля сигналов силы постоянного тока и счетно-импульсных сигналов, поступающих от датчиков, расположенных на технологических объектах, формирования команд управления и сигнализации и применяться в составе автоматических и автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления производственными процессами, технологическими линиями и агрегатами в различных отраслях промышленности.
Источники информации:
1. Рекламный проспект ГУПНН «Авитрон-Ойл» «Комплекс линейной телемеханики. Средства автоматики для объектов нефтедобычи «САТУРН».
2. Рекламный проспект фирмы «ProSoft «Устройства сбора данных и управления. Серия АМ-5000.