Синтез структуры системы диагностики технического состояния погружного электрооборудования на основе IDEF-технологии

ИНФОРМАЦИОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ DATA PROCESSING FACILITIES AND SYSTEMS

Ефанов В.Н.

Efanov

доктор техн. наук, профессор кафедры «Электроника и биомедицинские технологии» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

Китабов А.Н.

Kitabov Л.М

аспирант кафедры «Электроника и биомедицинские технологии» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

УДК004.896

СИНТЕЗ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ IDEF-ТЕХНОЛОГИИ

В статье рассматриваются вопросы синтеза структурных схем аппаратной части системы диагностики погружного электрооборудования на основе детально проведенного анализа соответствующей предметной области с помощью ее функционального моделирования с применением методологии структурного анализа (SADT) на основе IDEF0-технологии. Приведен краткий анализ особенностей эксплуатации погружного оборудования, на основе которого сделан вывод о необходимости разработки новых систем диагностики, способных отвечать все возрастающим требованиям к показателям эксплуатационной надежности скважинного оборудования. Определено место и роль методологии структурного анализа в задаче синтеза структурных схем системы диагностики погружного электрооборудования, обоснован выбор IDEF0-технологии для построения функциональной модели анализируемой предметной области, которая представляет собой совокупность иерархически упорядоченных диаграмм с разной степенью детализации. На основе полученной функциональной модели был сформирован перечень требований к аппаратной части системы диагностики. На основе полученных требований была сформирована новая концепция диагностики погружного электрооборудования на основе распределенных средств измерения, основной идеей которой является разделение функций измерения и обработки сигналов с датчиков между погружной и наземной частями системы диагностики. Предложена базовая структурная схема измерительного модуля как основы при реализации указанной концепции. Сформирован список условий и требований, удовлетворение которых в каждом конкретном случае практической реализации позволит осуществить концепцию распределенности средств измерения. Также в статье приведены два варианта практической реализации системы диагностики на основе распределенных средств измерений.

Ключевые слова: погружное электрооборудование, SADT-методология, IDEF0-технология, система измерения параметров контроля.

SYNTHESIS OF THE STRUCTURE OF FINDING THE TECHNICAL STATE ELECTRIC IMMERSION IDEF-BASED TECHNOLOGY

The article deals with the synthesis of block diagrams of the hardware diagnostics system of electrical submersible based on a detailed analysis on the subject field using its functional simulation using the methodology of structural analysis (SADT) IDEFO-based technology. A brief analysis of the characteristics of operation of downhole equipment, based on which the conclusion of the need to develop new diagnostic systems capable of responding to the increasing demands of operational reliability of downhole equipment. The place and role of the methodology of structural analysis in the synthesis of block diagrams of electrical submersible diagnosis, justify the choice of IDEFO-technology for the construction of a functional model of the analyzed subject area, which is a set of hierarchically ordered diagrams with varying degrees of detail. On the basis of the functional model was formed by a list of requirements for hardware diagnostics. Based on the requirements of formation of a new concept of diagnostics of electrical submersible based on distributed measurement tools, the basic idea of which is the separation of the functions of measurement and processing sensor signals between the submersible and surface parts of the system diagnostics. A basic block diagram of the measuring module as a basis for the implementation of this concept. Created a list of conditions and requirements, the satisfaction of which in each case to realize the practical implementation of the concept of distributed instrumentation. The article also shows the two options of practical implementation of the system diagnostics based on the distributed measuring instruments.

Key words: electrical submersible, SADT-methodology, IDEFO-technology, measurement systemcontrol.

Введение

Современное состояние нефтедобычи в России характеризуется сложной геолого-технологической структурой запасов нефти, в которой преобладают трудноизвлекаемые запасы из низкопроницаемых пластов, расположенных на глубоких горизонтах, с высоковязкой и битумной нефтью, высоким содержанием воды и газа, отложениями парафина и неорганических солей, образованием высоковязких эмульсий. Все это определяет сложные эксплуатационные условия, в которых работает глубинное электрооборудование. При эксплуатации глубиннонасосных установок в подобных осложненных условиях актуальной задачей является повышение надежности их работы. На интенсивность отказов погружных электроцентробежных насосов влияет целая группа факторов, к которым относятся: угол искривления скважины, интенсивность искривления, наличие резких перегибов ствола, состав перекачиваемой жидкости, глубина спуска насоса, геологические особенности скважины, воздействие вибрации и многое другое.

Для максимального увеличения показателей эксплуатационной надежности глубинно-насосных установок необходимо полностью учитывать влияние перечисленных факторов на техническое состояние погружного оборудования и своевременно выявлять возможные дефекты. Практика эксплуатации показывает, что повышение срока службы за счет своевременной диагностики технического состояния дает значительно больший эффект, чем улучшение других характеристик оборудования.

Для этого необходимо внедрять новые прогрессивные системы диагностики, способные обрабатывать и анализировать большие объемы промысловой информации, а также оценивать и прогнозировать техническое состояние обследуемого оборудования.

Детальная проработка структуры подобных программно-аппаратных комплексов представляет нетривиальную задачу, решение которой включает следующие этапы: анализ функционального предназначения системы; разработку основных подсистем по отдельности и способов их взаимодействия; проектирование собственно системы, предусматривающее объединение подсистем в единое целое; техническую реализацию и тестирование работоспособности системы; введение системы в действие; функционирование - использование системы по назначению. При решении подобных задач схемотехнического проектирования широко используется SADT-методология (Structured Analysisand Design Technique - методология структурного анализа и проектирования) - совокупность методов, правил и процедур, предназначенных для построения функциональной структуры сложных иерархических систем в виде модели, которая практически полностью устраняет возможную неоднозначность семантического описания. Такая модель представляет собой совокупность иерархически упорядоченных и взаимосвязанных диаграмм, организованных в виде древовидной структуры, где верхняя диаграмма является наиболее общей, а самые нижние наиболее детализированы.

Применение методологии SADT для решения

поставленных задач позволяет определить основные функции системы, разработать системный проект, выявить взаимосвязь между частями всей системы [1, 2, 3]. На основе SADT разработан также ряд производных стандартов, таких как IDEF, предназначенных для построения отдельных специфических моделей, например, функциональных или информационных. Рассмотрим основные этапы синтеза структуры системы диагностики технического состояния погружного электрооборудования с использованием IDEF0-технологии.

Функциональная модель процесса диагностики на основе IDEF0-технологии Данная модель представляет собой совокупность диаграмм с постепенно увеличивающейся детализацией по мере декомпозиции блоков модели. Общее представление описываемой предмет-

ной области, связанной с диагностикой погружного электродвигателя (ПЭД), изображено на контекстной диаграмме (рис. 1).

На данной диаграмме представлен блок «Диагностика ПЭД», входами которого являются непосредственно объект исследования «ПЭД», априорная информация и методики испытаний. В результате выполнения данной функции на выходе блока образуются: результат диагностики, графическая и табличная информация и т. д.

Вполне очевидны механизмы выполнения данной функции (дуги снизу), а также управление (дуги сверху). Механизмами являются: информационная система, оборудование, персонал.

В качестве элементов управления в данной задаче выступают различного рода нормативная документация, требования и рекомендации предприятия, документация на оборудование и т. д.

Об90УД0*»«ч0 Пеесомал

Рис. 1. Контекстная диаграмма функциональной модели диагностики

Приведенная контекстная диаграмма далее детализируется с учетом задач, которые будут решаться в процессе диагностики. На рис. 2 приведена декомпозиция контекстной диаграммы, в состав которой входят следующие блоки: анализ априорной информации (1), испытание ПЭД (2), обработка результатов измерения (3), передача информации по уровням иерархии (4), принятие управленческого решения (5).

Сложная структура первого уровня декомпозиции обусловлена многоуровневой системой управления техническим состоянием оборудования в нефтяных компаниях.

Первый блок «Анализ априорной информации» реализует подготовительный этап процесса диагностики. На данном этапе накапливается статистика наработки объекта диагностики, определяются наиболее информативные параметры контроля,

формируются необходимые предписания и указания по проведению испытания.

Второй блок «Испытание ПЭД» является одним из ключевых. Его реализация предусматривает сборку тестовой установки, спуск ее в скважину, проведение необходимых замеров параметров контроля и т. д.

Третий блок «Обработка результатов измерений» включает основные алгоритмы обработки измерительной информации с последующим анализом всех измеренных параметров. На данном этапе формируется заключение о техническом состоянии оборудования, т. е. результат диагностики, а также создается и пополняется база данных.

Описанные выше блоки являются наиболее важными с точки зрения решения поставленной задачи диагностики. Следующие два блока, четвертый и пятый, в большей степени относятся к верх-

Рис. 2. Функциональная модель процесса диагностики

ним уровням управления эксплуатацией погружного оборудования.

Механизмами и техническими средствами, участвующими в выполнении операции диагностики ПЭД, являются:

1) коммуникационное обеспечение (Шете^ канал, GSM-модуль, физические проводные каналы связи RS232 и RS485);

2) вычислительные средства (микроконтроллеры универсального и специального назначения, компьютеры 1ВМ РС, специальные контроллеры станций управления);

3) широкий спектр программного обеспечения (коммуникационные модули программ, модули ПО выделения информации, система поддержки принятия решений, модуль обработки информации и т. д.);

4) технологическая оснастка и сопутствующее оборудование;

5) система измерения параметров контроля.

Анализируя перечисленные выше механизмы

для реализации рассматриваемого процесса, можно сделать вывод, что для обеспечения функционирования процесса диагностики необходимы как алгоритмическое и математическое обеспечение (реализуемые в виде программных модулей), так и различного рода аппаратные средства. Очевидно, что среди аппаратных средств наиболее значимые функции выполняет система измерения параметров контроля. Следует отметить, что в настоящее время применяются несколько типов измерительных систем [4], поскольку каждой из этих систем

свойственны определенные недостатки. В частности, для систем наземного типа - это горизонтальное расположение оборудования и невозможность имитации скважинных условий, а для систем погружного исполнения - возможность контроля информативных параметров только в одной точке оборудования, что в случае протяженного погружного оборудования (до 10-15 м) является причиной низкого качества диагностики [4].

Таким образом, описание процесса диагностики в рамках IDEF0-технологии позволяет сделать вывод, что измерительная система в составе диагностического комплекса является наиболее важным звеном, которое нуждается в разработке новых перспективных структур для устранения указанных выше недостатков.

Синтез перспективных структур системы измерения параметров контроля

Отмеченное в предыдущем разделе противоречие между необходимостью использовать несколько датчиков, закрепленных по всей длине двигателя, для повышения достоверности диагностики и невозможностью проводить испытания в скважине с таким составом измерительной аппаратуры потребовало разработки новой концепции построения аппаратной части исследуемой системы. Поскольку суть противоречия заключается в недопустимых габаритах датчиков, а также в проблеме организации канала передачи данных с датчиков, то предлагаемая концепция предусматривает разделение

функций измерения и обработки данных между погружной и наземной частями, а также размещение первичных преобразователей на поверхности корпуса оборудования. При этом первичные преобразователи, которые крепятся на корпус двигателя, снабжены микроконтроллером и оборудованием для организации канала связи.

Структурная схема устройства для измерения параметров (ИМ) контроля в каждой точке имеет следующий состав (рис. 3): датчик температуры (ДТ), датчик вибрации (ДВ), нормирующие преобразователи сигналов датчиков (НП), мультиплексор (MUX), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер (МПЧ), элементы и узлы для обеспечения работы канала связи (ИУ), элементы питания (ИП).

Датчики вибрации и температуры измеряют соответствующие параметры, после чего, в зависимости от состояния управляющих выходов мультиплексора, сигналы подаются на АЦП и далее на

микроконтроллер. Микроконтроллер выполняет функции начальной обработки и хранения результата измерения, а также для преобразования полученной измерительной информации в формат, соответствующий требованиям канала связи. После этого сигналы посредством канала связи из микроконтроллера последовательно передаются на верхний уровень.

Дальнейшая детализация структуры системы измерения параметров контроля требует решения следующих задач:

1) выбор канала связи между наземной и погружной частью системы;

2) обоснование аппаратного состава наземной части системы диагностики;

3) выбор элементов ИМ в соответствии с габаритными размерами зазора между оборудованием и скважиной;

4) оптимизация структуры ИМ в целом.

Рис. 3. Структурная схема измерительного модуля

Канал связи предназначен для передачи данных вибрации, которая имеет высокий динамический диапазон и измеряется с очень малыми промежутками времени, поэтому канал связи должен иметь достаточно высокую пропускную способность. Также необходимо, чтобы канал связи обеспечивал возможность подключения большого количества ИМ к одной информационной шине, что является ключевым моментом предлагаемой концепции. Кроме того, в связи с ограниченным пространством между оборудованием и стенками скважины необходимо, чтобы количество проводов линии связи было минимальным, так же как и габариты аппаратной части канала. Следовательно, канал должен быть организован на основе протокола последовательной передачи данных с очень высокими скоростями и малой вероятностью ошибок. При этом канал связи должен иметь простые процедуры управления, так как в ИМ используются микроконтроллеры с

ограниченной вычислительной мощностью. И наконец, канал передачи должен обладать возможностью передачи данных на значительные расстояния без потери информации, так как все ИМ удалены от принимающей части как минимум на длину оборудования в скважине (от 20 до 60 метров).

Следующая задача, требующая решения, состоит в определении аппаратной составляющей наземной части, которая осуществляет обработку измерительной информации. При этом необходимо обеспечить согласование информации, поступающей с глубинной части, формат которой определяется каналом связи и стандартными портами обмена информации в компьютере. Следовательно, в состав наземной части необходимо включить устройство преобразования форматов данных (УПФ). Структурная схема наземной части системы диагностики изображена на рис. 4.

При выборе элементной базы ИМ мы будем ис-

ходить из следующих соображений. В настоящее время стенды диагностики снабжаются пьезоэлектрическими датчиками вибрации. Данный тип датчиков имеет недопустимые, с точки зрения поставленной задачи, габаритные размеры, что требует применения датчиков миниатюрного исполнения, выполненных с использованием интегральных технологий, таких как поверхностные интегральные акселерометры. Учитывая, что выходной сигнал таких датчиков является, как правило, аналоговым или широтно-импульсным, необходимо использовать первичные преобразователи, удовлетворяющие следующим условиям: миниатюрные габаритные размеры, удобный для передачи выходной сигнал, малая погрешность преобразования.

Под оптимизацией структуры системы диагностики ПЭД понимается выбор необходимых аппаратных средств наземной и погружной части системы диагностики с целью обеспечения мини-

мальных габаритов погружного ИМ. Данная задача может быть решена за счет оптимальных схемотехнических решений, предусматривающих сочетание в одном электронном узле нескольких функциональных устройств, например, микроконтроллер со встроенным АЦП.

Изложенные соображения позволили определить базовую структурную схему системы диагностики ПЭД, предусматривающую использование распределенных средств измерения при проведении испытаний в скважине. Кроме того, сформированы требования к основным функциональным блокам системы, выполнение которых позволяет обеспечить ее функционирование в жестких условиях эксплуатации.

Глубинная часть системы включает совокупность ИМ, количество которых определяется индивидуальной конструкцией оборудования и ограничено 32-мя устройствами (по стандарту RS485).

ПИ УПФ

4

Рис. 4. Структурная схема наземной части системы диагностики

Каждый ИМ имеет в своем составе следующие функциональные узлы: акселерометр ADXL103. датчик температуры ТМР37, нормирующие преобразователи (фильтр нижних частот (ФНЧ) и усилитель напряжения) на операционном усилителе ОР284, микроконтроллер Mega16, микросхему интерфейса МАХ491.

Структурная схема ИМ, реализованного на основе вышеперечисленных компонентов, представлена на рис. 5.

Наземная часть системы диагностики состоит из следующих функциональных узлов: устройство преобразования форматов данных, персональный или промышленный компьютер. В свою очередь, наземный блок преобразования форматов данных включает в свой состав микросхему интерфейса МАХ491, микросхему FTDI232 и элементы питания схемы (ИП). Структурная схема наземной части системы диагностики представлена на рис. 6.

Сигналы с датчиков поступают на АЦП микроконтроллера в зависимости от выбранного канала

измерения. Далее происходит преобразование сигналов и запись их в оперативное запоминающее устройство.

После выполнения измерений полученная информация передается посредством микросхемы интерфейса и информационной шины в устройство преобразования формата данных. В данном блоке осуществляется преобразование форматов, после чего сигналы поступают на компьютер, где происходит их обработка и представление результата испытания оператору.

Заключение

В данной работе рассмотрены вопросы синтеза структуры системы диагностики технического состояния погружного электрооборудования на основе системного моделирования процесса получения и обработки измерительной информации. Показан один из возможных подходов к формализации процессов диагностики технического состояния погружного электрооборудования с использованием

Рис. 5. Структурная схема измерительного датчика

Рис. б. Структурная схема наземной части системы диагностики

IDEF -технологии. По результатам анализа разработанных IDEF-диаграмм было определено место и роль системы измерения параметров контроля. Сформулированы требования, на основе которых проведен синтез структуры системы диагностики, отвечающей концепции распределенных средств измерения.

Список литературы

1. Вендров А.М. CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем [Текст] / А.М. Вендров. - М.: Финансы и статистика, 1998. - 176 с.

2. Куликов Г.Г. Автоматизированное проектирование информационно-управляющих систем. Системное моделирование предметной области: учебное пособие [Текст] / Г.Г. Куликов, А.Н. Набатов, А.В. Речкалов. - Уфа: УГАТУ, 1998. - 104 с.

3. Черемных С.В. Моделирование и анализ систем. IDEF-технологии: практикум [Текст] / С.В. Черемных, И.О. Семенов, В.С. Ручкин. - М.: Финансы и статистика, 2005. - 192 с.

4. Китабов А.Н. Информационно-измеритель-

ная система диагностики погружного электродвигателя [Текст] / А.Н. Китабов, В.П. Токарев // Вестник УГАТУ. - 2011. - Т. 15. - № 1 (41). - С. 153-1б4.

References

1. Vendrov A.M. CASE-tehnologii. Sovremennye metody i sredstva proektirovanija informacionnyh sistem [Tekst] / A.M. Vendrov. - M.: Finansy i statistika, 1998. - 17б s.

2. Kulikov G.G. Avtomatizirovannoe proektirova-nie informacionno-upravljajushhih sistem. Sistemnoe modelirovanie predmetnoj oblasti: uchebnoe posobie [Tekst] / G.G. Kulikov, A.N. Nabatov, A.V. Rechkalov. -Ufa: UGATU, 1998. - 104 s.

3. Cheremnyh S.V Modelirovanie i analiz sistem. IDEF-tehnologii: praktikum [Tekst] / S.V. Cheremnyh, I.O. Semenov, V.S. Ruchkin. - M.: Finansy i statistika, 2005. - 192 s.

4. Kitabov A.N. Informacionno-izmeritel'naja sistema diagnostiki pogruzhnogo jelektrodvigatelja [Tekst] / A.N. Kitabov, V.P. Tokarev // Vestnik UGATU. - 2011. - T. 15. - № 1 (41). - S. 153-1б4.