СИСТЕМА ВЫЧИСЛЕНИЯ РАСХОДА НЕФТИ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована на специализированных узлах учета нефти (УУН) для непрерывного контроля количества перекачиваемой нефти.
В нефтяной промышленности применяются различные информационно-измерительные системы, предназначенные для вычисления массового расхода нефти, перекачиваемой по трубопроводам. Так как по трубопроводам перекачивается не чистая нефть, а, в общем случае, водонефтяная эмульсия, свойства которой могут значительно меняться (в том числе под влиянием изменения температуры, давления, скорости потока), то точно определить массовый расход чистой нефти только с помощью расходомеров, которые обычно измеряют объемный расход жидкости, не представляется возможным. Поэтому на трубопроводе устанавливают множество различных измерительных преобразователей:
преобразователей расхода, плотности, температуры, влагосодержания, вязкости, давления и др. Сигналы с этих преобразователей служат основой для расчетов массового расхода чистой нефти [Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды. - М.: Недра, 1988. - С.197-207]. Обычно этот расчет выполняется специальным вычислительным устройством - вычислителем расхода, устанавливаемом на узле учета нефти и передающем вычисленные значения расхода в информационную сеть верхнего уровня.
Очень важен точный и непрерывный контроль массового расхода чистой нефти, так как неверный его учет может привести к большим экономическим потерям. Поэтому к вычислителям расхода предъявляются жесткие требования по надежности. Известно много различных систем вычисления расхода, в которых каждый из измерительных преобразователей, обычно имеющий аналоговый (токовый) или частотный выход, подключен к
соответствующему входу вычислителя расхода, реализованного на базе промышленного компьютера. Примером может служить отечественная система "ОКТОПУС" [Комплекс измерительно-вычислительный сбора и обработки информации систем учета нефти и нефтепродуктов "OCTOPUS" ("ОКТОПУС"). Руководство по эксплуатации МС 200.00.00.00 РЭ. - ОАО "ИМС", 2002. - С.5-10]. Таким образом построены вычислители расхода не только для нефтяной, но и для других отраслей промышленности. Например, в аналогичной системе [Патент США №4328549, МПК G 06 F 15/46, Опубл. 4 мая 1982, фиг.1, 2] вычислитель расхода содержит входной интерфейсный модуль, содержащий набор разнотипных преобразователей (аналого-цифровые преобразователи, счетчики импульсов, цифровые формирователи и др.), выходной параллельный код которых через коммутатор подается в центральный процессор, производящий вычисления по заложенной в его постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) программе и выдающий результат на периферийные выходные устройства (индикатор, принтер, внешнюю информационную сеть). Центральный процессор имеет стандартную архитектуру, в которой устройства памяти, устройства представления результата и входной интерфейсный модуль управляются центральным процессором и являются зависимыми от него. Поэтому при отказе центрального процессора или сбое программы вся система перестает функционировать. Кроме того, схема подключения измерительных преобразователей является нерациональной, так как к разнотипным преобразователям приходится прокладывать отдельные линии связи и учитывать особенности их сигналов. Такая схема подключения преобразователей плохо приспособлена к резервированию отдельных преобразователей и линий связи.
В современных системах вычисления расхода измерительные преобразователи выполняются в виде устройств с унифицированными цифровыми выходными сигналами и предназначены для подключения к информационной двухпроводной шине последовательного обмена
(например, с интерфейсом RS-485). Это позволяет легко организовывать резервирование линий связи преобразователей. Системой, наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности, является система вычисления расхода на основе вычислителя УВП-280 разработки СКВ "Промавтоматика" [Вычислители УВП-280. Руководство по эксплуатации КГПШ 407374.001 РЭ.
- СКБ "Промавтоматика", 2005. - С.6-8, 26-27. Доступно в Интернете: http://www.tg-c.ru/other/uνp280/re_280.pdf].
Система-прототип содержит ряд периферийных измерительных преобразователей, расположенных на трубопроводе и подключенных к измерительной информационной шине последовательного обмена, связанной с вычислителем расхода, который содержит вычислительный блок, индикатор, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и интерфейсный узел, последний из которых через внешнюю информационную шину связан с компьютером верхнего уровня. Вычислительный блок является главным элементом вычислителя; он вычисляет значение массового расхода нефти по сигналам преобразователей и управляет работой всех остальных элементов: индикатора, ПЗУ и интерфейсного узла. Измерительные преобразователи, поддерживающие протокол последовательного обмена (например, RS-485), могут подключаться к двухпроводной измерительной информационной шине практически в любом месте, где она проложена. Можно легко устанавливать резервные преобразователи на шине, а также резервировать саму шину, прокладывая дополнительные линии. Все это повышает возможности системы по части ее резервирования и повышения надежности. Однако структура самого вычислителя расхода, в которой индикатор, ПЗУ и интерфейсный узел аппаратно и функционально зависят от вычислительного блока, весьма уязвима. Если происходит аппаратный отказ вычислительного блока или сбой в работе его программы, то вся система перестает функционировать.
Задачей, решаемой с помощью данной полезной модели, является повышение надежности вычисления массового расхода нефти за счет
улучшения структуры вычислителя расхода и повышения его отказоустойчивости, что достигается путем распределения коммуникационных функций вычислительного блока между другими элементами вычислителя и придания им относительной независимости функционирования.
Задача решается тем, что в известной системе, содержащей ряд периферийных измерительных преобразователей, расположенных на трубопроводе и подключенных к измерительной информационной шине последовательного обмена, связанной с вычислителем расхода, который содержит вычислительный блок, индикатор, постоянное запоминающее устройство и интерфейсный узел, последний из которых через внешнюю информационную шину связан с компьютером верхнего уровня, в отличие от системы-прототипа, в вычислителе расхода каждый из его составляющих элементов имеет встроенный управляющий коммуникационный контроллер и собственный выход на измерительную информационную шину.
Предлагаемая система (фиг.1) содержит: ряд периферийных измерительных преобразователей 1, расположенных на трубопроводе и подключенных к измерительной информационной шине последовательного обмена 2, связанной с вычислителем расхода 3, который содержит вычислительный блок 4, индикатор 5, ПЗУ 6 и интерфейсный узел 7, последний из которых через внешнюю информационную шину 8 связан с компьютером верхнего уровня 9. В вычислителе расхода 3 каждый из его составляющих элементов: вычислительный блок 4, индикатор 5, ПЗУ 6 и интерфейсный узел 7 имеет встроенный управляющий коммуникационный контроллер и собственный выход на измерительную информационную шину 2. Каждый из элементов 4, 5, 6, 7 реализован на базе управляющего программируемого микроконтроллера, в составе которого есть процессор, порты информационного обмена, а также флэш-память небольшого объема для записи программ и результатов.
Система работает следующим образом. Каждый цикл работы начинается с того, что вычислительный блок 4 последовательно посылает на информационную шину 2 запросы по адресам периферийных измерительных преобразователей 1, которые в ответ посылают на шину 2 коды, соответствующие результатам измерений различных величин (объемного расхода жидкости, плотности, влагосодержания, давления, вязкости, температуры). Затем вычислительный блок 4, получив результаты работы преобразователей, по заложенной в нем программе вычисляет значение массового расхода чистой нефти и последовательно делает запросы через шину 2 по адресам индикатора 5, ПЗУ 6 и интерфейсного узла 7, передавая им вычисленный результат и команды ПОКАЗАТЬ, ЗАПОМНИТЬ и ПЕРЕДАТЬ РЕЗУЛЬТАТ соответственно. Каждое из устройств 5, 6, 7, получив команду и число, по заложенным в них внутренним программам реализуют указанные действия: индикатор 5 показывает полученный результат на экране, ПЗУ 6 сохраняет очередное число в архиве данных, интерфейсный узел 7 передает результат через информационную шину 8 в компьютер верхнего уровня 9.
При удачном завершении указанных действий устройства 5, 6, 7 передают на шину 2 коды удачного завершения своих операций, считав которые, вычислительный блок 4 переходит к следующему циклу.
Отказ какого-либо из измерительных преобразователей 1 (отсутствие ответа) регистрируется вычислительным блоком 4, и вычисления производятся с учетом отсутствия отказавшего преобразователя. При обращении вычислительного блока 4 к интерфейсному узлу 7 вместе с результатом передается информация об отказе преобразователя.
В случае отказа вычислительного блока 4 или сбоя его программы периодические обращения от него к устройствам 5, 6, 7 прекращаются. В этом случае каждое из устройств 5, 6, 7, обнаруживая отсутствие команд со стороны вычислительного блока 4 в течение некоторого времени (≈2 цикла) начинает функционировать по аварийной подпрограмме, а именно:
1) Функции основного координирующего ядра берет на себя интерфейсный узел 7. Он выдает на шину 2 запрос по адресу только одного преобразователя 1 - основного преобразователя объемного расхода, который в ответ посылает на шину 2 свой результат измерения. Получив этот результат, интерфейсный узел 7 рассчитывает массовый расход чистой нефти по упрощенной формуле, учитывающей последнее "неаварийное" значение массового расхода чистой нефти и текущее значение с преобразователя объемного расхода. Полученный таким образом результат может содержать некоторую погрешность, связанную с неполным учетом всех влияющих факторов, но он, тем не менее, близок к истинному результату при условии, что с момента отказа вычислительного блока 4 прошло не очень много времени. Вычисленное значение интерфейсный узел 7 пересылает на индикатор 5 и ПЗУ 6, а также отправляет на компьютер верхнего уровня 9 с сообщением об аварийном режиме работы.
2) Индикатор 5 выдает на экран полученное от узла 7 значение результата, при этом на экран выводится также сообщение об аварийной ситуации.
3) ПЗУ 6 сохраняет в архиве по команде от узла 7 полученное от него значение результата, сопровождая его специальной меткой.
Таким образом, предлагаемая система отличается гораздо более высокой надежностью и живучестью по сравнению с прототипом, что достигнуто за счет распределения коммуникационных функций вычислительного блока между другими элементами вычислителя и придания им относительной независимости функционирования.
Вычислитель расхода системы по стоимости не сильно отличается от стоимости вычислителя прототипа, так как вместо одного высокопроизводительного промышленного компьютера применяется набор устройств на базе гораздо более дешевых микроконтроллеров, - например, PIC- контроллеров фирмы Microchip.