1.1 Общая характеристика объекта управления

Рассматриваемая кустовая насосная станция (КНС) входит в состав комплекса центрального пункта сбора нефти (ЦПС) Средне-Балыкского месторождения[1].

Оператором по добыче нефти на Средне-Балыкском месторождении является ЗАО «Манойл», учрежденное ОАО «НК «ЮКОС», «Юганскнефтегазом» и администрацией Ханты-Мансийского Автономного Округа.

ЗАО «Манойл» занимается разработкой месторождений углеводородного сырья, добычей, переработкой и реализацией добытого сырья и продуктов переработки. Уставный капитал ЗАО «Манойл» составляет 10636900 рублей.

КНС предназначена для закачки воды из поверхностных, подземных источников или промысловых очищенных сточных вод в нагнетательные скважины для поддержания давления в разрабатываемом продуктивном горизонте нефтяного месторождения.

Объектами системы автоматизированного управления ТП КНС являются:

а) действующая блочно-модульная кустовая насосная станция БМКНС-4;

б) проектируемая кустовая насосная станция повышенной мощности КНСПМ.

В состав технологических объектов действующей БМКНС-4 входят:

а) три водозаборные скважины;

б) два сепаратора воды;

в) насосная станция с 8 насосными агрегатами;

г) две комплектные трансформаторные подстанции КТП 630 кВА;

д) дренажная емкость;

е) клапан аварийного слива воды из сепараторов;

ж) отсекающая задвижка.

В состав технологических объектов проектируемой КНСПМ входят:

а) блочно модульная насосная станция, включающая три плунжерных насосных агрегата, сепаратор воды, 3 подпорных насосных агрегата;

б) две комплектные трансформаторные подстанции КТП 1000 кВА с низковольтным комплектным устройством НКУ;

в) здание операторной КНС.

Управление технологическими объектами предусматривается от АСУ ТП КНС и ручное с местных пультов управления.

Для характеристики района использованы данные наблюдений ближайших метеорологических станций Сургут и Нижневартовск. Климат района континентальный. Зима суровая, холодная, продолжительная, с сильными ветрами. Лето сравнительно короткое, но теплое. Средняя годовая температура воздуха в районе равна -3,1?С.

Абсолютный минимум температуры воздуха достигает -55?С, абсолютный максимум +34?С.

Ниже приводятся расчетные температуры воздуха, необходимые при проектировании различных ограждающих конструкций и отопления:

а) расчетная температура воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 92% -43?С;

б) расчетная температура воздуха наиболее холодных суток обеспеченностью 92% -47?С;

в) расчетная температура воздуха наиболее холодного периода (зимняя вентиляционная) -28?С[1].

Относительная влажность воздуха, характеризующая степень насыщения воздуха водяным паром, в течение года изменяется от 66 до 82%[1].

Технологические объекты: сепараторы С1 и С2 БМКНС-4 и дренажная емкость установлены на открытом воздухе.

Объекты автоматизации КНС Южной части Средне-Балыкского месторождения по классификации взрывоопасных смесей по ГОСТ 12.1.011-78 относятся к категории IIа T2.

Класс взрывоопасной зоны по ПУЭ:

а) помещение насосной относится к классу В-1а;

б) технологическая площадка - к классу В-1г.

В помещении операторной и насосных агрегатов температурный диапазон составляет от +5 °С до +40 °С, влажность воздуха до 95%.

Оборудование системы управления ТП КНС (щит автоматики, автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора насосной станции) эксплуатируется в вентилируемом и защищенном от избыточной влаги помещении[1].

1.2 Описание технологической схемы

а) существующий технологический блок плунжерных насосных агрегатов;

б) существующие КТП 630 кВА;

в) существующая площадка сепараторов;

г) существующая дренажная емкость;

д) существующие водозаборные скважины;

е) проектируемый технологический блок КНСПМ;

ж) проектируемая КТП 2х1000 кВа с НКУ;

з) проектируемая операторная.

Станция выполнена в виде отдельных блок-боксов транспортного габарита. В качестве стеновых и кровельных ограждений блок-боксов использованы трехслойные металлические панели с утеплителем. Уровень автоматизации обеспечивает работу станции при периодическом присутствии обслуживающего персонала.

На КНС организованы два параллельных технологических потока добычи, подготовки и закачки воды для системы поддержания пластового давления ППД[1].

Первый поток организуется на базе существующих технологических блоков БМКНС-4.

Вода из водозаборных скважин №2в и №3б через электроприводную задвижку поступает в сепаратор С1 или дегазатор С2, установленные над блоком насосных агрегатов. Сепаратор С1 является рабочим, сепаратор С2 в резерве. В сепараторе С1 или дегазаторе С2 происходит дегазация и отделение твердо-взвешенных частиц (ТВЧ), содержащихся в воде, создается запас воды на приеме насосов. Резервуары С1 и С2 оборудованы трехпозиционными сигнализаторами уровня. Уровень воды в сепараторах регулируется исполнительным устройством УЭРВ1М подачи воды из водозаборных скважин. Газ из сепараторов поступает на свечу рассеивания. Очистка резервуаров от скопившихся ТВЧ производится периодически в соответствии с технологическим регламентом.

Силовые насосные агрегаты (№1-8) установлены в технологическом блоке. Вода из сепаратора С1 или С2 через фильтры поступает на прием силовых насосов. Силовые насосные агрегаты подают воду через обратные клапаны, в нагнетательные скважины системы поддержания пластового давления. Замер количества воды подаваемого в систему ППД производится тремя расходомерами, имеющими импульсные выходы в систему телемеханики.

Отвод утечек с силовых насосных агрегатов производится в дренажную емкость. Опорожнение сепараторов С1 и С2 производится через задвижки включением клапана Кл1, установленного на дренажном трубопроводе[1].

Второй поток организуется на основе проектируемого блока КНСПМ. Технологический блок состоит из насосно-сепарационного блока и трех блоков насосных.

Вода из водозаборной скважины №1 бис поступает в сепаратор С1, установленный в насосно-сепарационном блоке. В сепараторе происходит дегазация и отделение твердо-взвешенных частиц (ТВЧ), содержащихся в воде, создается запас воды на приеме подпорных насосов. Автоматический регулятор уровня (РУ) установлен на трубопроводе подачи воды в сепаратор и в зависимости от положения поплавка изменением проходного сечения клапана регулируется подача воды из водозаборной скважины. Газ из сепаратора поступает на свечу рассеивания. Уровень ТВЧ в сепараторе определяется по разности показаний датчиков температур (4 °С), установленных в грязевом и водяном отсеках сепаратора[1].

Подпорные насосы (Н1, Н2, Н3) установленные под сепаратором, подают отсепарированную воду на прием силовых насосов и промывки сальников плунжерных насосов. Два подпорных насоса являются рабочими, один - резервный.

Силовые насосные агрегаты (Н4, Н5, Н6) установлены в блоках насосных. Два силовых насоса являются рабочими, один - резервный. Вода от подпорных насосов через фильтры Ф1, Ф2, Ф3 поступает на прием силовых насосов. Из насосов Н4 - Н6 вода поступает через депульсаторы и обратные клапаны в нагнетательные скважины системы поддержания пластового давления.

Между нагнетательными трубопроводами насосов Н4 - Н6 и сепаратором С1 предусмотрены перепускные трубопроводы с электроприводными задвижками АЗ1, АЗ2, АЗ3, которые открываются на период запуска или останова насосов Н4 - Н6.

Отвод утечек с подпорных и силовых насосных агрегатов, опорожнение сепаратора С1 производится в дренажную емкость.

Промывка сальников плунжеров насосов Н4 - Н6 осуществляется перекачиваемой водой. Отвод промывной воды производится в сепаратор С1. После остановки насосов Н4 - Н6 производится промывка сальников плунжеров пресной водой.

Электропитание всех насосных агрегатов КНС осуществляется из вновь построенного блока КТП 2х1000 с НКУ[1].

1.3 Описание действующей системы

а) повышенный износ дорогостоящего регулирующего клапана из-за абразивности потоков и, как следствие, необходимость частого ремонта или замены;

б) повышенные потери электроэнергии, связанные с дросселированием потока через регулирующий клапан;

в) повышенный износ электродвигателя и перекачивающего агрегата из-за дополнительной работы на преодоление дополнительного сопротивления регулирующего клапана;

г) большое количество коммуникаций для подключения датчиков, регуляторов, регистраторов и вывода сигналов на центральный пульт управления (ЦПУ).

До внедрения новой системы управления ремонт насосов производился в среднем раз в 4 месяца, отдельных регулирующих клапанов - раз в 3 недели. Средний срок службы регулирующих клапанов не превышает 1,5 - 2 лет при паспортных данных 6 лет. Также значительных эксплуатационных затрат требовала система «ЦЕНТР».

Кроме того, изношенное оборудование очень часто выходит из строя и постоянно требует финансовых расходов как на вышедшие из строя элементы, так и огромных трудовые ресурсы, что приводит к расширению штата и увеличению фонда оплаты труда.

Использование морально устаревшего, выработавшего свой ресурс оборудования и огромного количества людских ресурсов приводит к частым травмам обслуживающего персонала.

Все вышеуказанные факторы приводят к тому, что для поддержания кустовой насосной станции в рабочем состоянии требуются огромные финансовые затраты. Данное положение вещей привело к тому, что кустовая насосная станция как отдельный элемент процесса добычи нефти последние 3 года не только не окупает затраты, но постоянно находится в убытке.

Оценивая состояние системы, руководством было принято решение финансировать разработку системы автоматизированного управления КНС Средне-Балыкского месторождения с использованием современных технологий и оборудования.

Так же после рассмотрения показателей добычи нефти за последние годы, учитывая производительность блочно-модульной кустовой насосной станции, было решено построить и включить в процесс добычи нефти кустовую насосную станцию повышенной мощности КНСПМ. Автоматизацию КНС повышенной мощности предполагается проводить совместно с автоматизацией БМКНС, и рассматривать систему автоматизированного управления как единую.

В качестве силовых насосов на обеих станциях будут использоваться плунжерные насосы. Плунжерный насос - это объемный насос, рабочий орган которого - плунжер, совершающий возвратно-поступательное движение. Обычно применяется для дозированной подачи жидкости под высоким давлением.

На проектируемой КНСПМ также используются подпорные центробежные насосы.

Внедрение новой системы управления технологическим процессом кустовой насосной станции позволяет полностью отказаться от эксплуатации пневматических регулирующих клапанов, увеличить межремонтный интервал электродвигателей на 20%, насосов на 50%, снизить расход электроэнергии на 20%, сократить расходы, исключить эксплуатацию устаревшей физически и морально системы управления.

Вместе с тем предлагаемая система позволяет осуществлять более гибкое управление качеством за счет повышенной точности регулирования технологических потоков. Кроме функций контроля и управления на разрабатываемую систему возлагаются функции расчета технико-экономических показателей с возможностью передачи информации на уровень управления производством.

2. Автоматизация технологического процесса

АСУ ТП КНС обеспечивает оперативному персоналу станции возможность:

а) управления технологическим процессом в автоматизированном режиме с возможностью перехода на режим ручного управления;

б) наблюдения за ходом технологических процессов на экране АРМ оператора;

в) вывода отчетной документации на принтер АРМ диспетчера;

г) технического обслуживания системы;

д) передачи технологической информации от АРМ оператора через локальную сеть в АРМ технолога ЗАО «Манойл».

2.2 Структура системы автоматизированного управления ТП КНС

а) верхний уровень (АРМ оператора);

б) нижний уровень (уровень технологического контроллера).

Нижний уровень включает в себя технические и программные средства, выполняющие следующие функции:

а) сбор сигналов состояний пожарной и газовой сигнализации;

б) сбор сигналов состояния и положения электроприводной запорной арматуры;

в) измерения давления и расходов в водоводах;

г) сбор сигналов состояния насосных агрегатов;

д) управление насосными агрегатами;

е) измерение токов двигателей силовых насосных агрегатов;

ж) первичная обработка сигналов:

- проверка на достоверность;

- контроль исправности датчиков;

- фильтрация;

з) обеспечение разомкнутого состояния цифровых выходов при перерывах в электроснабжении или неисправности технических и программных средств контроллера («сторожевая собачка»);

и) передача на верхний уровень (по запросу АРМ верхнего уровня) всей собранной информации и изменений с момента предыдущего опроса;

к) прием управляющих сигналов с верхнего уровня системы и их реализация;

л) занесение уставок основных параметров технологического процесса.

Верхний уровень (АРМ оператора насосной станции) включает в себя технические и программные средства, выполняющие следующие функции:

а) сбор и анализ информации, полученной с контроллера;

б) отображение информации о течении технологического процесса в виде мнемосхем, трендов и таблиц;

в) сигнализация исключительных ситуаций, возникших в ходе технологического процесса КНС;

г) сигнализация превышений и снижений технологических параметров процесса от заданных;

д) генерация и печать отчетов.

3. Анализ и выбор средств разработки программного обеспечения

Программирование контроллера осуществляется на языке Ladder Logix с помощью программного пакета RSLogix 500.

RSLogix 500 обеспечивает:

а) программирование в режимах OnLine/OffLine;

б) распределение модулей входов / выходов;

в) редактирование базы данных;

г) символьную адресацию;

д) поддержку таблиц перекрестных ссылок;

е) улучшенные возможности отладки;

ж) формирование отчетов;

з) великолепные возможности редактирования:

- вся информация о проекте располагается как «дерево проекта»;

- сессии редактирования ограничиваются только наличием доступной оперативной памяти;

- перетаскивание инструкций на желаемую цепочку вместо ввода ее с клавиатуры;

- при необходимости можно «развернуть» весь набор команд процессора;

- можно просто вводить с клавиатуры мнемонику и параметры инструкции;

- редактирование нескольких цепочек и /или программ одновременно, используя символы, которым еще не присвоены физические адреса;

- корректирование ошибок в программе, при помощи специальной подсистемы (Program Verifier).

и) точную и простую конфигурацию входов / выходов;

к) удобную справочную систему;

л) полную совместимость с другими системами программирования:

- A.I. Series Ladder Logistics для конроллеров SLC-500 и Micrologix 1000;

- Advanced Programming Software (APS) для контроллеров SLC-500;

- Micrologix Programming Software (MPS) для контроллеров Micrologix 1000;

- проекты, разработанные в этих системах, могут быть импортированы в RSLogix 500 без каких-либо усилий.

м) настраиваемые коммуникации:

Для контроллеров SLC-500 существует множество адаптеров связи и протоколов. Конфигурация действий адаптера или протокола может быть запутанной и потребовать много времени. RSLogix 500 использует известный продукт Rockwell Software RSLinx, который облегчает эту задачу. Эти коммуникационные средства обеспечивают автоматическое определение и конфигурацию параметров связи при помощи быстрой и точной настройки. RSLinx используется для работы в среде Windows 95/98, Windows NT.

н) глобальное решение проекта:

Взаимодействие между RSLogix 500 и средствами MMI (человеко-машинного Интерфейса) и связи разработанные Rockwell Software, создают мощное полнофункциональное решение всех аспектов проекта. Вместе с другими представителями семейства продуктов Rockwell Software можно использовать Базы Данных совместно с RSView32 (программным обеспечением для мониторинга, управления и сбора данных), RSTune (автоматическим настройщиком контуров ПИД регуляторов), RSTrend (программным обеспечением, ориентированным на сбор данных и вывод исторических трендов), а также протестировать и отладить программу вне цеховых условий, используя RSEmulate 500 (программное обеспечение для эмуляции работы SLC) [13].

Процессор обеспечивает управление процессом, используя созданную для этого программу. Эта программа называется файлом процессора и содержит несколько других файлов, которые разделяют программу на более мелкие, но лучше управляемые секции. Такими секциями являются программные файлы и файлы данных.

Каждый процессор может иметь только один файл, состоящий из программных файлов (до 256 файлов на контроллер) и файлов данных (до 256 файлов на контроллер). Файл процессора создается при помощи RSLogix в режиме off-line. Затем эти файлы восстанавливаются, или загружаются в память процессора для выполнения действий on-line.

Программные файлы содержат информацию контроллера, основную программу управления и подпрограммы. Первые три программных файла являются необходимыми и зарезервированными, а файлы 3-225 используются для подпрограмм. Файл основной программы 2 содержит созданную цикловую программу управления процессом производства[10].

Файлы данных содержат информацию, сопутствующую программным файлам и организованы по типам хранимых в них данных. Каждая единица данных, в каждом из этих файлов, имеет свой соответствующий адрес, который и определяет ее для использования в программных файлах. Например, точка входа имеет адрес, который представляет её расположение в файле данных входа. Первые 9 файлов (0-8) имеют типы по умолчанию. Тип данных для оставшейся части файлов (9-255) назначается по необходимости. Типы файлов по умолчанию:

а) файл 0 - данные выхода (состояние выходов контроллера);

б) файл 1 - данные входа (состояние входов контроллера);

в) файл 2 - данные состояния (информация по работе контроллера);

г) файл 3-8 - заданы заранее как битовый, таймеров, счетчиков, управления, хранения целых и вещественных данных соответственно.

Для образования параллельной логики в программе используются ветвления во входной и выходной частях цепи. Максимальное число уровней вложения ветвлений равно 75. Максимальное количество инструкций в цепи - 128 [10].

Для программирования очень удобна поддержка нескольких видов адресации: прямая, когда данные записываются по указанному в инструкции адресу; индексная, т.е. процессор складывает номер элемента из адреса и значение, размещенное в индексном регистре S:24, и тогда полученный результат используется в качестве действительного адреса; косвенная адресация, адрес в квадратных скобках указывает на действительный номер файла, элемента или подэлемента; индексная косвенная адресация[12].

3.2 Разработка операторского интерфейса