Общая организация системы автоматизации

Содержание

1. Общая организация системы автоматизации………………………………..2
2. Основные преимущества системы автоматизации………………………….3
3. Контроллер автоматизации…………………………………………………...3
4. Датчики………………………………………………………………………...6
5. Управление внешними агрегатами…………………………………………..7

 

Общая организация системы автоматизации.

Современный подход к автоматизации процессов нефтедобычи диктует жесткие требования к программно-аппаратным комплексам контроля и управления штанговыми глубинными насосами (ШГН). Это обусловлено истощением ресурсов нефтяных пластов, высокой стоимостью электроэнергии, стремлением нефтяных компаний снизить затраты на ремонт скважин и более эффективно использовать свой персонал.

Если раньше технические средства позволяли лишь периодически проводить измерения технологических параметров на скважинах операторами при помощи переносных комплектов оборудования, то стационарно установленные на месторождениях современные микропроцессорные контроллеры делают возможным непрерывный автоматический их контроль. Применительно к скважинам, эксплуатируемым штанговыми глубинными насосами, это означает измерение таких технологических параметров, как динамограмма (зависимость усилия на полированном штоке от перемещения точки подвеса штанг), динамический уровень, ваттметрограмма (зависимость потребляемой мощности от перемещения точки подвеса штанг), влияние газового фактора, давление на устье скважины, суточная производительность скважины и других. При этом функции управления обеспечивают дистанционное включение и отключение приводного электродвигателя, аварийное отключение установки, периодический режим эксплуатации, плавное регулирование скорости вращения при помощи преобразователя частоты.

Рис. 1. Структурная схема SCADA-системы

Основные преимущества системы автоматизации.

▪ Работа под управлением центрального компьютера с программным обеспечением, либо по заранее подготовленному расписанию, либо в режиме дистанционного управления от центрального компьютера всей сети.

▪ Возможность высокоточной синхронизации всех процессов с привязкой к шкале единого времени.

▪ Получение и выдача контрольной информации о состоянии всех подсистем УГШН.

▪ Обработка аварийных ситуаций и подключение резервных каналов.

▪ Высокая отказоустойчивость и надежность системы.

Контроллер автоматизации.

Контроллер предназначен для управления работой ШГН в реальном масштабе времени, обработки и передачи результатов обработки данных на пульт оператора для хранения данных и удаленного управления режимом работы контроллера. На рисунке 2 показана блок-схема контроллера.

Контроллер является на сегодняшний день самым удобным и надежным. Контроллер предусматривает подключение аналоговых датчиков усилия и положения, а также дискретных датчиков положения, расположенных на валу электродвигателя и выходном валу редуктора. Данные с этих датчиков используются для контроля и управления работой насосной установки и для визуального отображения графических данных на жидкокристаллическом дисплее (HMI) или на экране удаленного портативного компьютера в легком для понимания формате.

Рис. 2. Внешний вид и блок-схема контроллера автоматизации

Функциональные возможности: ▪ Математическое моделирование, анимированное отображение реальной работы насоса, включая построение динамограмм и расчет заполнения насоса, ▪Расчет суточного дебита в любых единицах объема, ▪Расчет давления на приеме насоса в любых единицах, ▪Управление скважиной по заполнению насоса, Защита оборудования: пиковая/минимальная нагрузка, уставка неисправности (точка наповерхностной динамограмме), минимальная нагрузка жидкости, ▪Поддержка протокола Modbus RTU, работа с XSPOC и другими SCADA-системами, ▪Архивы данных о параметрах работы скважины, ▪Возможность удаленного доступа к контроллеру через Web-интерфейс, ▪Возможность беспроводного подключения к контроллеру, ▪Единый интерфейс контроллера на русском и английских языках, отображаемый на сенсорном экране контроллера, либо на персональном компьютере. Технические характеристики контроллера: ▪Потребляемая мощность не более 20 Вт, ▪Рабочая температура от -40 до 85°С, ▪Влажность10-90% без образования конденсата, ▪Тактовая частота процессора 400 МГц, ▪Тактовая частота ПЛИС – 40 МГц, ▪Оперативная память 128 Мб, флэш-память 256 Мб, Входы/выходы: 110 цифровых входов/выходов (3,3 В); 32 аналоговых входа; 4 аналоговых выхода (0-10 В); 32 цифровых входа/выхода (24 В). ▪ Порты передачи данных: RS-232 (для радиоканала); Ethernet (для прямого доступа к интерфейсу подключения к сети TCP/IP); Wi Fi, ▪Подключение дополнительных модулей согласования сигналов

 

Датчики.

В системе используются датчик нагрузки и датчик положения, конструктивно выполненные в едином корпусе (рисунок 3).

 

Рис. 3. Внешний вид установленного датчика нагрузки и положения (а), комплект поставки (б).

 Датчик положения.

Датчик положения представляет из себя датчик ускорения (акселерометр) со схемой согласования сигналов, исполненный в герметичном корпусе. Этот датчик предназначен для регистрации нижней и верхней мертвых точек, значений ускорения во всех точках перемещения плунжера насоса. Схема согласования обеспечивает необходимую фильтрацию и усиление сигнала получаемого с датчика нагрузки.

 Датчик нагрузки.

Датчик нагрузки состоит из: упругого элемента в форме отрезка трубы, двух компенсационных тензорезисторов, двух нагрузочных тензорезисторов, образующих полную мостовую схему. Тензорезисторы наклеены на наружную поверхность упругого элемента и закрыты сверху защитным кожухом.

▪ Точность измерения нагрузки - 0,25%.

▪ Диапазон измеряемых нагрузок от 0 до 22500 кГ.

 

 

 

Управление внешними агрегатами.

В системе также предусмотрены специальные выходы силовых реле для управления пускателем двигателя и интеллектуальной запитки датчиков. На рисунке 4 показана блок-схема платы твердотельных реле.

Рис. 4. Блок-схема подключения внешних агрегатов.

Программное обеспечение.

Программное обеспечение состоит из ПО АРМ оператора и программы контроллера. Обмен данными может осуществляется посредствам беспроводной связи (FM, Wi-Fi) или интерфейса Ethernet.

Контроллер работает в следующих программно задаваемых режимах, предназначенных для задания или отображения тех или иных параметров работы скважины:

▪ Автоматическое управление работой скважины по заполнению насоса

▪ Автоматическое управление работой скважины по давлению на приеме насоса

▪ Управление работой скважины по таймеру

▪ Управление работой скважины по календарю

▪ Режим “host”- управление оператора, SCADA-системы (постоянно включено/отключено)

▪ Режим ручного управления (не с помощью контроллера)

▪ Режим неисправности

Ключевые особенности

Комплект программного обеспечения предусматривает возможность работы пользователям с различными уровнями доступа, включая бригадира, инженера и оператора. ПО АРМ оператора позволяет обрабатывать данные с нескольких УГШН. Все поступающие данные с контроллеров УГШН сохраняются в базу данных и используются для формирования отчетов и анализа причин аварийных ситуаций.

Технические характеристики системы.

В зависимости от модификации (в соответствии с конфигурацией), система обеспечивает взаимодействие с:

▪ Сенсорным экраном (HMI);

▪ Внешними устройствами с интерфейсами RS-232, CAN, ModBUS, Ethernet.

Изделие обеспечивает:

▪ Прием, запись в ОЗУ и обработку информации с датчика положения с частотой оцифровки 51,2 МГц;

▪ Прием, запись в ОЗУ и обработку информации с датчика нагрузки с частотой оцифровки 50 МГц;

▪ Автоматический контроль ОЗУ, загрузку программного обеспечения при включении и начальной загрузке.

▪ Ввод и вывод информации по линии Ethernet.

▪ Поддержка операционных систем реального времени.

▪ Построение поверхностной динамограммы;

▪ Построение графиков изменения нагрузки, положения, скорости, положения полированного штока, давления на приеме насоса, других аналоговых входных сигналов во временной шкале;

▪ Построение глубинной динамограммы

▪ Расчет суточного дебита, забойного давления, давления на приеме насоса, на выходе из насоса, перепада давления.

▪ Параметры управления: давление на приеме насоса, заполнение (насоса), таймер, календарь, постоянно включено/выключено

▪ Обнаружение режима «ручной» работы скважины;

▪ Аварийное отключение по уставкам защиты оборудования: пределы нагрузок по динамограмме, точка на динамограмме (уставка «Неисправность»), минимальная нагрузка жидкости, предельные нагрузки штанг;

▪ Подключение дополнительного оборудования для ввода/вывода сигналов.

▪ Возможность взаимодействия со стандартным оборудованием производства России и США (станки-качалки, двигатели, штанги);

▪ Интерфейс на русском языке;

▪ Структура и вид интерфейса обеспечивающие удобство использования;

▪ Хранение истории изменения каждого регистрируемого контроллером параметра без ограничения по сроку хранения (ограничение только по объему свободной памяти);

▪ Разграничение прав доступа при различных способах подключения к контроллеру, защита паролем;

▪ Непрерывная работа в жестких климатических условиях при сохранении технических характеристик в заданных пределах.

▪ Время готовности изделия (установка рабочего режима перед загрузкой операционной системы) менее 1 минуты.

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1.Анализ программного обеспечения современных систем динамометрирования штанговых глубинных насосов / Ковшов В. Д., Светлакова С. В. // Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе: материалы региональной научно практической конференции. - Йошкар-Ола, 2005. - С. 106-109.

2. Датчики усилия для систем динамометрирования штанговых глубинных насосов добычи нефти / Ковшов В. Д., Емец С. В., Хакимьянов М. И., Светлакова С. В. // Нефтегазовое дело. - 2007.

3. Андреев Е.Б., Ключников А.И., Кротов А.В. и др. Автоматизация технологических процессов добычи и подготовки нефти и газа. Под ред. проф. Попадько В.Е. Учеб. пособие для вузов. -М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2008. - 399с.