АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СТЕНД ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ПЕРСОНАЛА ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
AUTOMATED STAND FOR PERSONNEL TRAINING IN OIL FIELD EQUIPMENT OPERATION

Изобретение относится к средствам обучения персонала нефтегазодобывающих предприятий и может быть использовано для обучения, контроля знаний по эффективному и безопасному ведению технологических процессов добычи нефти и газа как студентов, так и специалистов при повышении квалификации, работающих на типовом нефтепромысловом оборудовании, применяемом на объектах нефтедобычи.
Уровень техники
Известна интерактивная автоматизированная система обучения (патент РФ №2477528, дата публ. 10.03.2013, МПК G09B 19/00), содержащая модуль группового обучения, состоящий из связанных между собой по входу-выходу N автоматизированных рабочих мест, где N - число обучающихся специалистов, выход которого подключен к входу блока выбора оптимального проектного решения, подсоединенного к первому входу блока ввода параметров проектного решения, первый выход которого подключен к первому входу блока выбора имитационных модулей, выходы которого подсоединены к входам соответственно модуля имитации исследований объекта изучения и модуля управления имитационной моделью, при этом выход последнего подключен к входу имитационной модели объекта изучения, соединенного по выходу с базой динамических данных, а выход модуля имитации исследований объекта изучения подсоединен к базе статических данных, причем выходы вышеупомянутых баз данных подсоединены ко второму входу блока выбора имитационных модулей и к первому входу блока мониторинга оперативной информации, второй вход которого связан со вторым выходом блока ввода параметров проектного решения, а выход подключен к входу блока формирования проектных задач и корректировки заданий, выходы которого подсоединены соответственно к входу модуля группового обучения и ко второму входу блока ввода параметров проектного решения, модуль имитации исследований объекта изучения выполнен в виде K блоков типовых имитационных исследований, где K - число типов проводимых исследований. Модуль управления имитационной моделью выполнен в виде М блоков управляющих воздействий, где М - число управляющих воздействий.
Недостатком предлагаемого способа является то, что обучение производится только с использованием виртуальной модели оборудования.
Известен способ автоматизированного обучения персонала морских нефтегазодобывающих платформ действиям в экстремальных и аварийных условиях (патент РФ №2455699, дата публ. 10.07.2012, МПК G09B 19/00), включающий использование компьютерной системы для формирования гибкого информационного пространства, снабженной базой знаний, предусматривающей систематизацию аварийных ситуаций и соответствующих им симптомов нарушений хода технологических процессов, устройством генерации аварийных ситуаций, устройством генерации симптомов, устройством оценивания знаний и навыков обучаемого в режимах тренировки и экзамена, устройством настройки пользователем параметров оценивания знаний и навыков обучаемого; устройством протоколирования тренировки, интерфейсом обучаемого с устройством генерации аварийной ситуации, с устройством генерации симптомов и с устройством оценивания, интерфейсом пользователя с базой знаний, с устройством оценивания и с устройством протоколирования тренировки, при этом гибкое информационное пространство формируют путем создания виртуальной среды, для которой синтезируют симптомы аварийной ситуации и предъявляют обучаемому, а затем, с целью обнаружения источника аварийной ситуации, предоставляют обучаемому средства взаимодействия с виртуальной средой для перемещения, одновременно предоставляют обучаемому возможность виртуального применения средств индивидуальной защиты и средств спасения, учитывая воздействия поражающих факторов аварии на виртуальную модель обучаемого, фиксируют каждое выполненное действие обучаемого устройством протоколирования, моделируют процесс развития аварийной ситуации и осуществляют адаптивное управление процессом обучения, оценивают своевременность и правильность последовательности принятия решений, причем предоставляют пользователю возможность выбора из базы данных подготовленных сценариев аварий и генерации для виртуальной среды места и параметров аварийной ситуации в произвольный момент времени.
Недостатком предлагаемого способа является то, что обучение персонала производится только с использованием виртуальной модели оборудования.
Известны тренажеры-имитаторы, изготавливаемые ЗАО «АМТ» (http://amt-s.spb.ru/simulator.html). Тренажер-имитатор освоения и эксплуатации скважин АМТ-601УКМ предназначен для обучения и повышения квалификации рабочего и инженерного персонала подразделений цехов добычи нефти и газа (ЦДНГ) нефтедобывающих предприятий, а также для студентов по специальности разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений. Модульный учебный класс тренажера объединяет обучение на аппаратных (макетных) тренажерах и компьютерного класса, позволяя проводить обучение на аппаратуре большого количества обучаемых под управлением одного преподавателя (инструктора). Тренажер имитирует и контролирует в реальном и ускоренном времени: освоение и вывод скважин на режим, исследования на установившемся и неустановившемся режиме, эксплуатацию в осложненных условиях; реакцию оборудования, инструмента, скважины (изменение их состояния) на действия обучаемого на пультах и постах управления оборудованием; возникновение и развитие осложнений и аварийных ситуаций; показания приборов контроля, характеризующих состояние оборудования, инструмента, скважины; различные условия на скважине (коллектор, флюид, конструкция скважины); различные виды добычи нефти: фонтанным способом, газлифтом, с помощью УЭЦН, УШГН, УШВН; работу с АГЗУ, станциями управления, контрольно-измерительными приборами.
Рабочее место обучаемого представляет собой аппаратный учебный модуль, имитирующий скважину, основное оборудование, инструменты и приборы. Каждый модуль управляется встроенным промышленным компьютером и оснащен сенсорным монитором, на котором на фоне общего вида скважины отображается вся необходимая технологическая информация: значения параметров, графики, динамограммы, а также анимация работы оборудования и процессов в скважине.
Учебные модули включают: модуль «Фонтанная скважина», модуль «УЭЦН», модуль «ШСНУ», модуль «Газлифтная скважина», модуль «Газовая скважина», модуль «Нагнетательная скважина».
Рабочее место инструктора: программное обеспечение тренажера содержит средства проектирования учебных заданий (сценариев обучения) с любыми геолого-технологическими условиями эксплуатационной скважины и нестандартными ситуациями. Инструктор имеет возможность, кроме осложнений и аварийных ситуаций, запланированных им заранее в сценарии учебного задания, создать их в процессе выполнения обучаемым учебного задания. Обеспечена возможность приостановки и последующего продолжения имитации технологического процесса в любом месте, возможность повторения ситуации, условий отработки учебного задания.
При имитации технологических процессов на экран монитора выводятся: числовые характеристики геолого-технологических условий, графики важнейших контролируемых технологических параметров и анимация, отображающие в реальном времени работу оборудования и состояния скважины. Программное обеспечение ведет журнал хода учебного процесса для каждого обучаемого, формирует протокол обучения, дает возможность оценки действий обучаемого по временным графикам технологичесих параметров после завершения занятий, печатает графики.
Недостатком данного способа обучения на тренажерах-имитаторах является взаимодействие обучаемых только с виртуальными и макетными моделями оборудования, предназначенного для освоения и эксплуатации скважин.
В качестве прототипа выбрана «Система и способ интерактивного обучения», патент РФ №2420811, МПК G09B 19/00, дата публ. 27.02.2011, при этом система интерактивного обучения содержит
- действующие макеты оборудования,
- имитаторы параметров,
- комплекс средств телемеханики,
- систему автоматизированного управления компрессорного цеха,
- автоматизированное рабочее место диспетчера предприятия,
- автоматизированные рабочие места операторов, объединенные высокопроизводительной сетью передачи данных,
- в сеть передачи данных дополнительно введено оборудование основных и вспомогательных объекте магистрального газопровода,
- системы сжатого воздуха,
- эмуляторы систем автоматизированного управления объектов магистрального газопровода - автоматизированные рабочие места обучаемых,
- комплекс видеонаблюдения,
- АРМ преподавателя, снабженное аппаратно-программным обеспечением для управления технологическими и учебным процессами и интерпретатором для создания сценариев.
Недостатком данного способа использования указанного обучающего оборудования является то, что его нельзя использовать для обучения работам на нефтепромысловом оборудовании.
Раскрытие изобретения
Задачей данного изобретения является повышение степени усвоения преподаваемого материала, позволяющее улучшить качество обучения при подготовке специалистов для работы на нефтепромысловом оборудовании.
Поставленная задача решается благодаря тому, что обучение персонала по эксплуатации нефтепромыслового оборудования осуществляется с использованием автоматизированного стенда, на котором первоначально производят обучение персонала на виртуальном оборудовании 3D-тренажера с использованием программного комплекса, включающего модули автоматизированной системы управления технологическим процессом, и описывающие алгоритм действий преподавателя, алгоритм действий обучаемого, алгоритм функциональности виртуального оборудования, входящего в состав 3D-тренажера, на котором создают математическую модель функциональности реально действующего оборудования, расположенного на полигоне, при этом в состав управляемого виртуального оборудования и реально действующего оборудования, размещенного на полигоне, входят станок-качалка (СК) со станцией управления, установка электроцентробежного насоса (УЭЦН) с запорной арматурой и станцией управления, установка штангового винтового насоса (УШВН) с запорной арматурой и станцией управления, автоматизированная групповая замерная установка (АГЗУ), блок местной автоматики, буллитная емкость, центробежный насос секционный (ЦНС) с входным фильтром и запорной арматурой, при этом выкид с УЭЦН, выкид с УШВН, выкид с СК через систему запорных элементов гидравлически связаны трубопроводом с входом в АГЗУ, выход из АГЗУ через систему вентилей и обратных клапанов гидравлически связан с входом буллитной емкости, выход из которой гидравлически, через систему вентилей, связан с входом ЦНС, а выход с ЦНС гидравлически связан с выкидной линией.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана схема размещения нефтепромыслового оборудования на 3D-тренажере и реально действующего нефтепромыслового оборудования, размещенного на обучающем полигоне. На фиг. 2 изображена схема математической модели, посредством которой осуществляется связь с системой управления реального нефтепромыслового оборудования обучающего полигона.
Осуществление изобретения
Обучение персонала по эксплуатации нефтепромыслового оборудования осуществляется с использованием интерактивного оборудования и действующего оборудования, размещенного на обучающем полигоне, оснащенного системой управления (Фиг. 1.) Действующее оборудование обучающего полигона включает станок-качалку (СК) 1 со станцией управления 2, установку электроцентробежного насоса (ЭНН) 3 с запорной арматурой и станцией управления 4, установку штангового винтового насоса (УШВН) 5 с запорной арматурой и станцией управления 6, автоматизированную групповую замерную установку (АГЗУ) 7, блок местной автоматики (БМА) 8, буллитную емкость 9, центробежный насос секционный (ЦНС) 10 с входным фильтром и запорной арматурой. Выкид 11 с УЭЦН, выкид 12 с УШВН, выкид 13 с СК через систему запорных элементов гидравлически связаны трубопроводом с входом в АГЗУ 7, выход которой через систему вентилей и обратных клапанов связан трубопроводом 14 с входом буллитной емкости 9. Выход буллитной емкости 9 гидравлически, через систему вентилей, связан с входом ЦНС 10. Выход с ЦНС 10 гидравлически связан с выкидной линией.
Обучение первоначально производят на 3D-тренажере, выполненном в виде программного продукта, представляющего совокупность данных и команд, предназначенных для функционирования компьютерных устройств в целях получения определенного результата в виде описания работы и управления нефтепромысловым оборудованием, размещенным на 3D-тренажере согласно схеме (Фиг. 1), и создающего виртуальную среду (аудиовизуальные отображения), имитирующую работу виртуального нефтепромыслового оборудования в реальных условиях под управлением обслуживающего его персонала. Рабочая среда воспроизведена с помощью виртуального изображения нефтепромыслового оборудования, виртуального изображения обучаемого персонала в спецодежде установленного образца с наличием средств индивидуальной защиты (СИЗ), например противогаза, газоанализатора, связи (рация) и т.п., а также воспроизведения реальных звуков, издаваемых работающим нефтепромысловым оборудованием и работающим персоналом. В процессе обучения воспроизводятся шумовые эффекты, например, при работе оператора в противогазе, при его передвижении по площадке, например разговор по рации. Виртуальная среда включает средства связи в виде стандартных средств ввода-вывода (клавиатура-манипулятор мышь), используемые при взаимодействии преподавателя или обучаемого с имитируемым виртуальным объектом.
При обучении работе с нефтепромысловым оборудованием виртуального 3D-тренажера осуществляют следующие действия, необходимые для проведения обучения персонала и получения в последующем допуска для работы на действующем реальном нефтепромысловом оборудовании обучающего полигона:
- осуществляют постановку сценария, например «Запуск сосуда в работу после ремонта»;
- контролируют исполнение сценария. Задача может быть поставлена как одному, так и нескольким обучаемым одновременно (до 28 человек). Ошибка, произведенная каждым из обучаемым в процессе выполнения задачи, выделяется в протоколе, выводимом на монитор преподавателя, другим цветом;
- корректируют исполняемый сценарий путем оказания обучаемому помощи со стороны преподавателя при выполнении действий по сценарию;
- управляют сценарием, например, задают дополнительные неисправности, изменяют параметры работы оборудования и пласта и т.п.;
- сохраняют исходную точку нового сценария для последующих тренировок;
- задают условия, не описанные в заданных (стандартных) сценариях (свободный сценарий).
В объем данных, обрабатываемых программным продуктом для функционирования оборудования 3D-тренажера (Фиг. 1), включают следующие производственные блоки с перечнем производимых операций:
1. Обслуживание оборудования устья добывающих скважин с перечнем операций согласно действующей «Инструкции по эксплуатации устьевой арматуры добывающих скважин»;
2. Обслуживание скважин, оборудованных станком-качалкой 1 УШГН со станцией управления 2, согласно «Регламента по эксплуатации подземного оборудования установок штанговых глубинных насосов», «Инструкции по эксплуатации станков-качалок»;
3. Обслуживание скважин, оборудованных УЭЦН 3 со станцией управления 4, согласно «Регламента по эксплуатации оборудования установок электроцентробежных насосов»;
4. Обслуживание скважин, оборудованных УШВН 5 со станцией управления 6, согласно «Регламента по эксплуатации подземного оборудования установок штанговых винтовых насосов»;
5. Обслуживание АГЗУ 7 согласно «Инструкции по эксплуатации автоматизированных групповых замерных установок типа «Спутник»;
6. Обслуживание нагнетательных скважин;
7. Обслуживание сосудов УГЗУ и буллитной емкости 9 согласно «Инструкции по эксплуатации сосудов, работающих под давлением»;
8. Обслуживание и ремонт технологических трубопроводов согласно «Типовой инструкции по обслуживанию и ремонту технологических трубопроводов»;
9. Обслуживание площадки насосного агрегата ЦНС 10 согласно «Инструкции по эксплуатации, обслуживанию и ремонту насосов типа ЦНС системы подготовки и перекачки нефти и воды».
На реальном нефтепромысловом оборудовании обучающего полигона (Фиг. 1) дополнительно реализуют производственные блоки с перечнем следующих операций:
1. Депарафинизация скважин согласно «Технологического регламента по депарафинизации скважин механическим способом установками типа «УДС», «ПАДУ», «МДС», «Инструкции по технической эксплуатации и обслуживанию полуавтоматических депарафинизационных установок ПАДУ-3, ПАДУ-ЗМ, УДС-1, УДС-1М, АДУ».
2. Подача реагента в скважину через блок подачи реагента согласно «Технологического регламента применения оборудования для дозированной подачи химического реагента».
Комплекс по обучению работе с нефтепромысловым оборудованием, оснащенным 28 персональными компьютерами, включает в себя программный комплекс на основе модуля АСУТП, с помощью которого воспроизводят интерфейс с реальной системы АСУ ТП «Телескоп+», а также включает модуль связи с элементами обучающего полигона нефтепромыслового оборудования, модуль преподавателя и модуль обучаемого.
Модуль АСУ ТП, входящий в программный комплекс, включает в себя математическую модель (Фиг. 2), представляющую собой компьютерную программу, реализующую систему математических соотношений, описывающих с требуемой точностью имитируемые объекты и процессы, многопользовательский доступ к 3D-тренажеру, возможность интеграции 3D-тренажера с системой управления реального нефтепромыслового оборудования, расположенного на обучающем полигоне, а также хранение и предоставление сохраненных сценариев.
С использованием связи модуля АСУ ТП с системой управления элементов обучающего полигона нефтепромыслового оборудования обеспечивают передачу расчетных параметров и состояния оборудования из математической модели в контроллер, находящийся на площадке обучающего полигона нефтепромыслового оборудования. Для реализации распределенной имитации используют локальную вычислительную сеть. Высокоуровневое взаимодействие между модулями тренажера реализуют с использованием стандартов IEEE 1516 (general purpose architecture for distributed computer simulation systems) и интерфейса OPC (OLE for Process Control).
С использованием модуля преподавателя запускают заранее описанные сценарии работы с оборудованием как в режиме обучения (с подсказками на каждом шаге), так и в режиме экзамена (с оценкой правильности действий обучаемого). В функциональность модуля преподавателя также включают:
- возможность отображения заранее определенных неисправностей в 3D-тренажере;
- возможность сохранения исходной точки сценария для последующих тренировок;
- возможность изменения параметров работы глубинно-насосного оборудования и пластовых условий;
- возможность дистанционной проверки знаний обучаемого без вмешательства преподавателя;
- возможность перехвата управления любого рабочего места обучаемого.
Обучение персонала по эксплуатации нефтепромыслового оборудования обучающего полигона производится следующим образом:
а) с использованием запрограммированных средств автоматизации при обучении персонала проведению работ на скважине, оборудованной установкой штанговой с глубинным насосом (УШГН) с приводом от станка-качалки 1 с запорной арматурой и станцией управления 2 станка-качалки, обучаемые производят:
- пуск станка-качалки 1, останов станка-качалки 1 - опрессовку скважины, оборудованной УШГН;
- вывод на режим скважины через станцию управления (СУ) 2;
- монтаж, демонтаж подключение технических манометров (контрольно-измерительной аппаратуры) на скважине;
- изменение длины хода штока глубинного насоса;
б) с использованием запрограммированных средств автоматизации при обучении персонала работам на скважине, оборудованной установкой электроцентробежного насоса (УЭЦН) 3 с запорной арматурой и станцией управления 4, обучаемые производят:
- запуск в работу УЭЦН;
- снятие контрольных параметров УЭЦН;
- опрессовку скважины, оборудованной УЭЦН;
- регулирование отбора жидкости за счет изменения частоты - вывод на режим;
- недогруз-перегруз;
- удаление газовых пробок на УЭЦН;
в) с использованием запрограммированных средств автоматизации при обучении работам на скважине, оборудованной установкой штангового винтового насоса (УШВН) 5 с запорной арматурой и станцией управления 6, обучаемые производят:
- запуск в работу УШВН;
- останов;
- снятие контрольных параметров работы УШВН;
- опрессовку УШВН;
- регулирование отбора жидкости за счет изменения частоты;
- вывод на режим;
г) с использованием запрограммированных средств автоматизации при обучении работам на автоматизированной групповой замерной установке (АГЗУ) 7, включающей блок малой автоматики 8, запорную арматуру, замерные устройства, обучаемые производят:
- запуск в работу;
- постановку и перевод скважины на замер, контрольный замер;
- ревизию основных узлов;
- установку и подключение технических манометров;
д) с использованием запрограммированных средств автоматизации при обучении работам с оборудованием месторождений производят:
- запуск сосуда 9 в работу;
- вывод сосуда 9 из технологического процесса;
- запуск центробежного насоса секционного (ЦНС) 10 с входным фильтром и запорной арматурой в работу;
- останов ЦНС 10;
е) с использованием запрограммированных средств автоматизации при обучении персонала работе с оборудованием месторождений реализуют также следующие ситуации, связанные с неисправностью оборудования: заклинивание задвижки; поломка штурвала задвижки; падение клина задвижки; неисправность технического манометра блока УЭЦН 3, УШГН 1, УШВН 5, емкости 9, ГЗУ 7, ЦНС 10; поломка ступеней лестницы площадки обслуживания станции управления 2 станка-качалки 1, емкости 9, лубрикаторной площадки УЭЦН 3; негерметичность затрубной задвижки УЭЦН 3, УШГН 1, УШВН 5; обрыв штанг УШГН 1 и УШВН 5; повреждение заземления УЭЦН 3, УШГН 1, УШВН 5; искрение в клеммной коробке станции управления 6 УШВН5, станции управления 2 УШГН 1, электродвигателе ЦНС 10; проскальзывание ремней привода станка-качалки 1; неисправность пружины сбросового пружинного предохранительного клапана (СППК) емкости 9, сосуда АГЗУ 7; красный силикагель трансформатора станции управления 4 УЭЦН 3.
Имитация работы задвижек на линиях выкида 11,12, 13 и выкидной линии с ЦНС 10 осуществляется за счет средств автоматизации, представленных в виде программируемых логических контроллеров, в частности, за счет установленного в задвижку потенциометра, который, в зависимости от положения задвижки, подает сигнал на измерительный преобразователь положения потенциометра, формирующего нормированный аналоговый сигнал в диапазоне 4-20 мА. Сформированный сигнал поступает на модель входных аналоговых сигналов контроллера SCADAPack и преобразует в цифровой 15-битовый сигнал. Далее полученный цифровой сигнал преобразуется в контроллере в физическое значение SCADAPack. Данный процесс происходит непрерывно. После преобразования сигнала в физическое значение он непрерывно опрашивается сервером «Ввода-Вывода», осуществляющего непрерывный контроль технологического процесса, опрос системы автоматизации, передачу данных на верхний уровень. Опрос ведется по протоколу Modbus. Через сервер «Ввода-Вывода» физическое значение передается в математическую модель по протоколу передачи данных ОРС, после чего в математической модели отображается процент открытия задвижки.
Например, производственный блок для сосудов, работающих под давлением, включает в базу данных для обработки программным продуктом следующий перечень операций, которые должен производить обучаемый на 3D-тренажере и на действующем оборудовании обучающего полигона:
При выполнении указанных операций на 3D-тренажере на экране монитора прописывается операция, например «Провести наружный осмотр сосуда, трубопроводов, запорной арматуры и всех фланцевых соединений», и одновременно с этим на изображении оборудования ярким цветом, например красным, указывается, какие элементы оборудования должны быть проверены (или с каким оборудованием произвести действие, указанное на экране). Протокол с перечнем операций и процентом выполнения заданий высвечивается на мониторе преподавателя в режиме реального времени, после чего преподаватель оценивает уровень знаний обучаемого по выполнению данной операции (например, по запуску сосуда в работу после ремонта).
Предложенный метод автоматизированного обучения персонала по эксплуатации нефтепромыслового оборудования с использованием виртуального оборудования 3D-тренажера и реально действующего оборудования, размещенного на обучающем полигона, эффективно используется в Государственном бюджетном образовательном учреждении средне-профессионального образования «Краевой политехнический колледж» города Чернушка Пермского края при подготовке персонала для работы с нефтепромысловым оборудованием цехов добычи нефти и газа ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ».