Имитация системы нечёткого регулирования уровня нефти в скважине

2013 Электротехника, информационные технологии, системы управления № 8 УДК 681.51

Д.А. Даденков, А.А. Каверин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Пермь, Россия

ИМИТАЦИЯ СИСТЕМЫ НЕЧЁТКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ НЕФТИ В СКВАЖИНЕ

Рассмотрена идея поддержания заданного уровня нефти в скважине на основе нечеткого регулирования частоты вращения глубинного насоса. Для моделирования работы системы с нечётким регулятором разработана многоуровневая структура системы имитации. Для имитации привода насоса задействован лабораторный комплекс полунатурного моделирования в составе оборудования фирмы Siemens: программируемый логический контроллер (ПЛК) S7-300, частотно-регулируемый электропривод Sinamics S110 в качестве привода насоса, электропривод постоянного тока Simoreg DC в качестве имитации нагрузки на валу и электромашинный агрегат с энкодером. Имитация скважины реализована программно в виде блока имитации притока, который формирует случайную величину притока нефти. Генерация случайных величин выполнена на основе равномерного закона распределения. Мнемосхема скважины, имитация случайной величины притока нефти, а также реализация нечеткого регулятора осуществлены в среде графического программирования LabVIEW. В результате проведенных исследований получена полунатурная система моделирования и имитации технологического процесса поддержания уровня нефти в скважине. Предложенная в работе система является частью разрабатываемого на кафедре МСА ПНИПУ тренажерного комплекса для подготовки специалистов в области автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Ключевые слова: имитация регулирования уровня нефти, полунатурное моделирование системы регулирования, частотно-регулируемый электропривод, электромашинный агрегат, не-мосхема имитации скважины, тренажерный комплекс.

D.A. Dadenkov, A.A. Kaverin

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation SIMULATION OF FUZZY CONTROL OF OIL LEVEL IN A WELL

The idea of keeping the defined oil level in a well on the basis of fuzzy control of well pump rotation frequency, is considered in the article. For modelling the operation of a system with fuzzy regulation a multilevelled simulation system has been developed. The laboratory complex of half-sized modelling was used for simulating of pump drive operation. This complex is part of Siemens equipment set which includes: programmable logical controller S7-300; frequency regulated electric drive Sinamics S110 as a pump drive; direct current electric drive Simoreg DC for simulating shaft load; and electric unit with an encoder. The well is modelled in software as a unit simulating random value of oil inflow. The random value generation is implemented on the basis of the principle of uniform distribution. The symbolic circuit of a well, the random value simulation of oil inflow, and the operation of the fuzzy regulator have been modelled in LabView graphical programming software suite. As a result of research conducted, half-sized system for modelling and simulation of technical process of oil level keeping in a well, have been obtained. The proposed system is a part of training complex which is being developed at the Department of Automation Microprocessors in Perm National Research Polytechnic University, and is used for training specialists in the field of automated control systems.

Keywords: simulation of oil level regulation, half-sized modelling of regulation system, frequency regulated electric drive, electric unit, symbolic circuit of a well, training complex.

Добыча нефти - сложный производственный процесс, включающий в себя множество этапов. Для максимального эффекта добычи нефти необходима слаженная работа механизмов на каждом из этапов. Одной из важных задач при добыче нефти является процесс выкачивания нефти из скважины.

Около 60 % нефти в России добывается глубинным способом с использованием установок электроцентробежных погружных насосов. В таких системах необходимо постоянно поддерживать заданный уровень нефти в скважине для исключения осушения скважины ниже нормы, в результате чего насосы могут начать выкачивать нефтепродукты с различными примесями, которые неблагоприятно влияют на работу установки в целом. Поскольку стоимость ремонта и наладки погружных насосов соизмерима со стоимостью новых агрегатов, доведение технологического процесса до такого состояния является крайне нежелательным. Процесс описания скважины как объекта управления является трудоемкой и сложной задачей, требующей учета огромного количества параметров, что не всегда является необходимым и целесообразным.

В данной работе с целью упрощения процесса моделирования предлагается скважину представить как некий абстрактный объект, поскольку для изучения и настройки регулятора на основе нечёткой логики расширенные параметры модели скважины не требуются. Конструктивно система имитации скважины будет включать в себя датчик уровня и электроцентробежный насос, опущенный ко дну скважины (рис. 1).

т

Заданный уровень т Действительный уровень

Приток

пшж о Насос ттм Приток

Рис. 1. Графическое представление объекта регулирования

На основе датчика уровня происходит вычисление уровня в скважине и скорости изменении уровня за заданный промежуток времени.

Моделирование системы управления приводом центробежного погружного насоса осуществляется при помощи лабораторного стенда полунатурного моделирования, который представляет собой электро-машинный агрегат, шкаф управления и панель оператора. Электрома-шинный агрегат состоит из трёх электрических машин, расположенных на одном валу. В зависимости от решаемой задачи одна из машин раскручивает вал, а машина постоянного тока имитирует момент сопротивления на валу. В данной работе привод глубинного насоса будет имитировать асинхронный двигатель (АД).

Рис. 2. Структурная схема системы имитации регулирования уровня

Поскольку приток нефти в скважине - величина неизмеряемая и зависит от большого количества условий, обычные регуляторы не могут учесть колебания величины притока нефти в скважине и могут осушать скважину ниже минимального уровня. Нечеткий регулятор позволяет с минимальной ошибкой изменять частоту вращения насоса таким образом, чтобы приток нефти в скважине не отражался на уровне и насосы постоянно находились в рабочем состоянии. При помощи регулятора на основе входных переменных происходит постоянное управление частотой вращения насоса, что позволяет адаптировать скорость откачивания нефти относительно её притока.

Для моделирования работы системы с нечётким регулятором была разработана структурная схема системы имитации, представленная на рис. 2.

В структурной схеме можно выделить два основных компонента - это программный комплекс для имитации системы регулирования в среде программирования LabVIEW и стенд полунатурного моделирования электропривода глубинного насоса.

Имитацию скважины и реализацию регулятора выполним в среде программирования LabVIEW, поскольку данная среда является простой в изучении и позволяет в короткие сроки разработать сложную систему управления и мониторинга. Для разработки программного комплекса имитации задействуем следующие модули среды программирования LabVIEW [1]: Datalogging and Supervisory Control Module, Control Design and Simulation Module, Simulation Interface Toolkit, PID and Fuzzy Logic Toolkit.

На рис. 2 приняты следующие обозначения: 5L - разница между заданным и действительным уровнями в скважине; 55L - скорость изменения уровня в скважине за одну итерацию моделирования; L;, - заданный уровень нефти; пт - текущая частота вращения АД (об/мин); пз -заданная частота вращения АД (об/мин); Мс - момент сопротивления, задаваемый на вал АД (%); U, f - напряжение и частота питания АД; U, Ф - напряжение и магнитный поток питания ДПТ; 5n - величина приращения скорости АД.

Рассмотрим подробнее принцип построения системы имитации и нечёткого регулирования уровня.

Имитация скважины реализована в виде блока имитации притока, который формирует случайную величину притока нефти. Генерация случайных величин выполнена на основе равномерного закона распределения. Моделирование притока осуществляется на основе следующих функций распределения [2]:

Фх^) ^ Qmax Фз^) > Kc U Фх^) > 0 U Фх^) < Q Фз^) < K U Фх^) > 0 U Фх^) < Q

Фх^) ^ Qmax

max

max

max

max

Фз(/) =

еи -1

и

Ф п (О =

И П~!

е -1

( ег - К1

а

- к

+к д;

N ( ег‘ - 0,5

10

Ф = X д ^

п-10

ег - к

и

- к

+

(ег - 0,5

100 х и

(( Л1

I х

\\

е“ - к и

- к

100 х it

\ N

ДQ -

) )

\ ( ег‘

хДQ

+Ф •

+

100 х и

хДQ

))

г( г~т

е -1

и

+ к

В формулах функции распределения (1)-(4) приняты следующие обозначения: Qmax - максимальное значение притока; ДQ - величина нарастания притока; Т - период длительности; кд - добавочный коэффициент; к\, к2 - параметрические коэффициенты; кс - коэффициент случайного распределения.

Следующий блок, необходимый для реализации регулирования, -это программный модуль обработки данных, который позволяет на основе заранее заданных параметров скважины и данных, получаемых от систем имитации притока нефти и привода насоса, вычислить входные величины для нечёткого регулирования и выдать на систему управления электропривода требуемую величину частоты вращения насоса.

Для имитации привода насоса задействуем лабораторный комплекс полунатурного моделирования в составе оборудования фирмы Siemens [3]: управляющий программируемый логический контроллер (ПЛК) S7-300, частотно-регулируемый электропривод переменного тока Sinamics S110 в качестве привода насоса, электропривод постоянного тока Smoreg DC в качестве имитации нагрузки на валу и электро-машинный агрегат с асинхронным двигателем, машиной постоянного тока и энкодером.

+

Программа управления, заложенная в ПЛК, позволяет в зависимости от частоты вращения насоса производить расчёт и моделирование нагрузки на валу асинхронного двигателя, задавая момент на электропривод постоянного тока. Преобразователь Smoreg DC настроен для работы в режиме поддержания момента и тем самым позволяет имитировать момент статической нагрузки. Контроллер Siemens S7-300 так же выполняет коммуникационные функции, получая данные с энкодера и программной среды LabVIEW и выдавая управляющие воздействия на электроприводы постоянного и переменного тока.

Нечеткий регулятор [4] уровня настроим на основе базы нечетких правил, представленной в таблице.

База нечётких правил регулятора уровня

Приращение скорости вращения привода 5п Скорость изменения уровня 55L

Значительно увеличивается Увеличивается Не изменяется Уменьшается Значительно уменьшается

Разница уровня 5L Значительно выше нормы Быстро увеличить Быстро увеличить Увеличить Не изменять Не изменять

Выше нормы Быстро увеличить Увеличить Увеличить Не изменять Уменьшить

Норма Увеличить Увеличить Не изменять Уменьшить Уменьшить

Ниже нормы Увеличить Не изменять Уменьшить Уменьшить Быстро уменьшить

Значительно ниже нормы Не изменять Не изменять Уменьшить Быстро уменьшить Быстро уменьшить

Для процесса нечёткого регулирования кроме базы нечётких правил составим также функции принадлежности (рис. 3), которые позволяют максимально точно выполнить переход от лингвистических переменных к реальным величинам [4].

Результаты процесса моделирования системы регулирования представлены на рис. 4. На рисунке по оси абсцисс обозначена ось времени протекания технологического процесса, а по оси ординат -ось величин расхода притока 1 и откачивания 2 нефти насосом.

Для визуализации процесса имитации и управления уровнем нефти в скважине в среде LabVIEW разработана мнемосхема, изображенная на рис. 5. На мнемосхеме наглядно отображаются заданный и текущий уровни, а также показания момента сопротивления, скоростей вращения привода насоса, величины изменения скорости и уровня.

Рис. 3. Функции принадлежности переменных регулятора

Q

t

Рис. 4. Графики процесса регулирования

Уровень, м| Изменение скорости |

20001800160014001200-юоо-

800-

Продолжительность итерации 100

Задать уровень в скважине, м! 700 | Включить насос {

Уровень регулирования., м' j 700 Выключить насос |

Рис. 5. Мнемосхема системы имитации регулирования

В результате поведенных исследований и разработок была получена полунатурная система моделирования и имитации технологического процесса поддержания уровня нефти в скважине. Данная система имитации является частью разрабатываемого на кафедре МСА ПНИПУ тренажерного комплекса [5] для подготовки специалистов в области автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Библиографический список

1. Раздел технической документации на сайте National Instruments [Электронный ресурс]. - URL: http://russia.ni.com/datasheet (дата обращения: 14.07.2013).

2. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Высшая школа, 1999. - 575 с.

3. Каталог продукции департамента промышленной автоматизации и технологии приводов Siemens [Электронный ресурс]. - URL: http://iadt.siemens.ru/ca01/ (дата обращения: 14.07.2013).

4. Гостев В.И. Проектирование нечетких регуляторов для систем автоматического управления. - СПб.: БВХ-Петербург, 2011. - 416 с.

5. Даденков Д.А., Петроченков А.Б. Опыт создания лабораторнотренажерного комплекса для подготовки специалистов в области автоматизированных систем управления технологическими процессами // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - № 5 (87). - С.251-255.

Сведения об авторах

Даденков Дмитрий Александрович (Пермь, Россия) - старший преподаватель кафедры микропроцессорных средств автоматизации Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: dadenkov@mail.ru).

Каверин Антон Александрович (Пермь, Россия) - магистрант кафедры микропроцессорных средств автоматизации Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: antoskakartoska@gmail.com).

About the authors

Dadenkov Dmitry Alexandrovich (Perm, Russian Federation) is a Senior Lecturer at the Department of Automation Microprocessors, Perm National Research Polytechnic University (614990, 29, Komsomolsky pr., Perm, e-mail: dadenkov@mail.ru).

Kaverin Aнтон Александрович (Perm, Russian Federation) is a Master’s Degree Student of the Department of Automation Microprocessors, Perm National Research Polytechnic University (614990, 29, Komsomolsky pr., Perm, e-mail: antoskakartoska@gmail.com).

Получено 06.09.2013