Автоматизация управления процессом бурения скважин

Для целей управления режимами бурения в реальном масштабе времени возможно ограничиться решением задачи формирования временного ряда измерений (тренда), который адекватен реальным закономерностям изменения состояния процесса бурения, позволяющего обнаруживать взаимозависимости изменения параметров и прогнозировать тенденции изменения состояния процесса. Качество формирования тренда каждого параметра бурения также определяется точностью измерений отдельных точек (мгновенных значений), составляющих тренд.

Процедура получения мгновенного значения параметра, представляющего собой непрерывный электрический сигнал, заключается в квантовании этого сигнала по уровню, которое состоит в том, что в диапазоне непрерывных значений функции ???? выбирается конечное число дискретных значений функции, распределенных, например, равномерно по всему диапазону. В момент измерения значения функции ??????заменяется значением ближайшего дискретного уровня. Функция при этом приобретает ступенчатый вид (рис. номер ). При квантовании возникает погрешность квантования, определяемая шагом квантования . При равномерном квантовании по уровню максимальное значение приведенной погрешности квантования

где - диапазон изменения параметра; (q-1) - число интервалов (шагов) квантования, q-1=().

Однако основная проблема заключается в выделении полезного сигнала на фоне случайных помех, источник которых не измерительные тракты, а стохастические возмущения, возникающие в процессе бурения и являющиеся следствием изменяющихся условий бурения и нестабильности работы бурового оборудования. Задача состоит в формировании измерения требуемого параметра бурения в определенный момент времени таким образом, чтобы совокупность этих измерений отражала закономерное изменение данного параметра в пределах анализируемого временного интервала. В разрабатываемой настоящим дипломе системе указанная проблема решается следующим образом:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. Квантование непрерывного сигнала по уровню.

Формирование одного измерения каждого вида параметров производится по определенному количеству опросов АЦП, которое рассматривается как статистическая выборка n наблюдаемых значений измеряемой величины , …, (под опросом АЦП понимается однократный программный запуск АЦП для измерения мгновенного значения заданного параметра в момент запускаю; быстродействие АЦП ADC0816 позволяет производить опросы с частотой 10-30 Гц в зависимости от амплитуды измеряемого сигнала). В качестве значения параметра вычисляется выборочное среднее - первый момент выборочного распределения случайной величины. Для одномерных распределений - это среднее арифметическое значение по элементам выборки , …,

 (7/1)

скважина бурение автоматизированный управление

При обработке статистических выборок среднее арифметическое является оценкой математического ожидания, точность которого зависит от количества элементов выборки n. Так как n в случае формирования измерений параметров необходимо выбирать из соображений получения достаточной точности, то для оценки этой точности при небольших объемах выборок можно воспользоваться наилучшими линейными оценками S среднего квадратического отклонения [2], например,

для n=2,

для n=4,

для n=8, (7,2)

где - вариационный ряд, т.е. значения, расположенные в порядке возрастания.

Например, при восьми опросах АЦП канала механической скорости получены следующие значения:

Вычисляя x и S по формулам (7.1) и (7.2), для различных значений n, получим следующие результаты (табл. xxx ).

Таблица

Очевидно, с увеличением n точность формирования измерения повышается и при n=4 и при n=8 вполне удовлетворительна. Кроме того, для выявления тенденций в изменении состояния процесса бурения точность формирования измерений различных параметров может быть неодинаковой. Например, механическую скорость и крутящий момент (мощность), как наиболее информативные параметры необходимо измерять с большой точностью (n=8), чем осевую нагрузку и частоту вращения (n=4).

Для параметров расхода промывочной жидкости и давления на насосе, изменения которых носят пульсирующий характер, можно ограничиться n=2.

Параметры обрабатываются не в физических единицах параметров бурения, а в некоторых абстрактных единицах (кодах АЦП), пропорциональных измеренному напряжению сигнала с соответствующего датчика. Следующий этап формирования измерения - масштабирования, т. е. перевод значений измерений, выраженных в кодах АЦП, в физические единицы. Такое преобразование осуществляется следующим образом:

,

где - значение i - го параметра бурения в физических единицах; - масштабный коэффициент i - го параметра; - значение i - го параметра в кодах АЦП.

Для некоторых параметров требуется дополнительная математическая обработка, связанная с особенностями их измерения. Например, при измерении осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент необходимо учитывать вес снаряда в зависимости от того, как производится бурение: с дополнительной нагрузкой или разгрузкой. Такая дополнительная обработка осуществляется специальными подпрограммами, учитывающими конкретные характеристики буровых установок и датчиков технологических параметров. В системе автоматического управления процессом бурения должна быть реализована возможность изменения определенных характеристик подсистемы опроса и первичной обработки информации путем ввода в систему соответствующих данных с пульта оператора системы. К таким характеристикам относятся период измерения параметров , количество опросов в измерении, Масштабные коэффициенты, выбор требуемой подпрограммы обработки. Данные изменения должен производить специалист службы КИП экспедиции или партии при проведении наладочных и проверочных работ.

Как указывалось выше, оценка и прогнозирование изменений состояния процесса бурения осуществляется путем формирования и анализа временного ряда (тренда) каждого из измеряемых параметров. Непосредственно анализ трендов, оценка и прогнозирование изменений состояния процесса производится другими подсистемами системы автоматического управления процессом бурения. Задача подсистемы сбора и первичной обработки информации - формирование тренда, который, с точки зрения программной реализации, должен представлять собой массив ячеек памяти, в котором хранятся значения параметров, упорядоченные во времени.

Такой массив памяти формируется с использованием так называемой стековой организации хранения данных, суть которой заключается в том, что в массиве памяти фиксированного объема N , содержащего N значений определенной переменной, новое (N + 1) значение данной переменной помещается в этот массив (стек) за счет исключения из него по определенному правилу одного из N элементов. Правилами записи в стек могут быть ”первый пришел - первый ушел”, ”первый пришел - последний ушел” и т. п. В данном случае стековая организация хранения данных организована следующим образом.

Часть объема ОЗУ ЭВМ, в котором организована оперативная информационная база, разделена на блоки, включающие по 64 ячейки памяти. Число таких блоков равно максимальному количеству параметров и показателей процесса бурения, используемых в системе. Каждый из таких блоков является стеком соответствующего параметра; запись информации во все стеки осуществляется по правилу ”первый пришел - первый ушел”. Пусть в момент времени в каком либо стеке, например стеке измерений , находилось 64 предыдущих значений (рис. 7.2) ,( , , …,).

В момент времени было сформировано очередное измерение , которое необходимо поместить в стек, будет перемещено в 63-й элемент, - в 62-й элемент и таким образом до ”вершины” стека, т. е. до1-го элемента, в который будет помещено значение , а значение будет удалено из стека. Следовательно, в стек будет помещаться каждое новое измерение данного параметра.

Запись во все стеки производиться синхронно с периодом , т. е. в момент времени (где K - номер цикла измерений) формируются измерения всех параметров и записываются значения измерений в соответствующие стеки. В любой момент времени в стеках находятся по 64 измерения каждого из параметров процесса бурения, упорядоченных во времени и позволяющих оценить изменение параметров в интервале времени от до . Например, при с интервал оценки измерения параметров составит с.

Очевидно, что, располагая данными за такой относительно длительный интервал времени, можно достаточно надежно распознавать возникающие изменения состояния процесса и прогнозировать тенденции развития технологических ситуаций. Анализ формируемых таким образом временных рядов производится другими подсистемами системы по математическим методам и алгоритмам, соответствующим задачам, решаемым каждой из подсистем.

Описанные выше методы опроса, первичной обработки и хранения информации о параметрах и показателях процесса бурения реализуются программным модулем САУ технологическим процессом, который получает управление циклически, с периодом Данный программный модуль имеет в системе высший приоритет.

Вся необходимая для работы информация содержится в таблице опроса параметров (рис. xxxx) и определяет требуемый режим и характеристики измерений. Блок схема алгоритма работы модуля приведена на рис. xxxx.

Важное преимущество подобной структуры данной подсистемы - возможность простого изменения или замены подпрограммы обработки измерений параметров, и следовательно возможность работы системы с различными датчиками и измерительными приборами.

Глава 4. Разработка принципиальной схемы устройства связи персонального компьютера с объектом автоматизации

4.1 Описание автоматизированной системы управления процессом бурения Зоя 1.1

Система Зоя 1.1 предназначена для контроля технологических параметров бурения с целью оперативного управления и оптимизации режимов бурения скважин на нефть и газ и обеспечивает:

автоматический сбор и обработку с расчетом производных параметров и представление текущей информации в наглядной форме на средствах отображения и регистрации бурильщика и бурового мастера;

документирование результатов бурения в цифро-аналоговом и графическом виде, включая рапорт за смену,

контроль выхода технологических параметров за установленные пользователем пределы со световой и звуковой сигнализацией этих событий;

аварийную сигнализацию при выходе параметров "Вес на крюке", "Давление на входе" за предельные значения с выдачей сигналов блокировки на соответствующее буровое оборудование;

автономное функционирование пульта бурильщика при отключении ЭВМ;

высокую эксплуатационную надежность и долговечность при минимальных затратах на техническое обслуживание и метрологическое обеспечение.

К необходимому типовому элементу любой системы автоматического управления относятся датчики технологических параметров. Назначение датчика - преобразование контролируемой или регулируемой величины в величину другого рода, удобную для дальнейшего применения.

В системе присутствуют следующие датчики:

Датчик веса на крюке устанавливается на неподвижной ветви талевого каната. В качестве первичного преобразователя в датчике используется тензометрический силоизмерительный элемент.

Датчик контроля момента на роторе (тензометрический) устанавливается на редукторе привода ротора вместо фиксирующей серьги-стяжки или фиксирующей опоры. Контролируется действующее на датчик усилие растяжения или сжатия.

Датчик контроля ходов насоса (индуктивный датчик приближения) устанавливается на шкиве привода насоса.

Датчик канала контроля скорости вращения ротора определяет скорость вращения вала привода ротора. В качестве первичного преобразователя применяется датчик приближения. Устанавливается на трансмиссии.

Датчик давления (тензорезисторный) устанавливается в нагнетательной линии.

Датчик глубин дает исходную информацию для расчета глубины забоя, подачи, положения тальблока. Датчик цепной передачей связан с валом лебедки.

Датчик-индикатор изменения расхода бурового раствора на выходе (в желобе) преобразует угол отклонения лопатки от вертикального положения в электрический сигнал в зависимости от уровня и скорости потока.

В совмещенном датчике плотности - уровня бурового раствора (БР) и плотности БР на выходе в качестве первичного преобразователя применяется дифференциальный манометр. Измеряется гидростатическое давление в погруженных в буровой раствор трубках, через которые под давлением продувается воздух.

Датчик суммарного содержания горючих газов, выполненный на основе первичного термохимического преобразователя, монтируется вместе с датчиком-индикатором изменения расхода на выходе. Аналогичные датчики применяются для контроля газосодержания и сигнализации во взрывоопасной зоне.

Датчик температуры БР на входе и выходе выполнен на основе специальной микросхемы и устанавливается, соответственно, в рабочей емкости и в желобе.

Датчик температуры воздуха (аналогичный) размещен в кабельной распределительной коробке.

Датчик момента на ключе (тензометрический) устанавливается на приводном тросе ключа.

Датчик момента на турбобуре (тензометрический) устанавливается на узел стопора ротора.

Информация от датчиков по кабелям передается в блок УКП, где осуществляется преобразование и обработка сигналов, и, затем, в пуль бурильщика и ЭВМ.

Информационно-метрологические характеристики в полном объеме приведены в прилагаемой таблице.

Таблица

4.2 Место УСО в АСУ процесса бурения

АСУ ТП должна иметь возможность и средства связи с объектом управления. Однако из главных различий между системами обработки данных и АСУ ТП состоит в том, что последняя должна быть способна в реальном времени получать информацию о состоянии объекта управления, реагировать на эту информацию и осуществлять автоматическое управление ходом технологического процесса. Для решения этих задач ЭВМ, на базе которой строится АСУ ТП, должна относиться к классу управляющих вычислительных машин (УВС), т. е. представлять собой управляющий вычислительный комплекс (УВК) УВК можно определить как вычислительную машину, ориентированную на автоматический прием и обработку информации, поступающей в процессе управления, и выдачу управляющих воздействий непосредственно на исполнительные органы технологического оборудования. Такая ориентация обеспечивается устройствами связи с объектом (УСО) (рис. ммм) - набором специализированных блоков для информационного обмена между управляющей ЭВМ и объектом управления. Различают пассивные и активные УСО.

Пассивные устройства выполняют команды опроса датчиков и команды выдачи управляющих воздействий. Они содержат комплекты входных и выходных блоков и блок управления. В состав входных и выходных блоков, обеспечивающих прием аналоговой и дискретной информации, входят преобразователи формы информации типа аналог-код и код-аналог, коммутаторы, усилители и т. п. Блок управления обеспечивает необходимый обмен информацией с управляющей ЭВМ и управление всеми блоками устройства, расшифровывает команды, поступающие от ЭВМ, и обеспечивает необходимый обмен информацией через блоки ввода-вывода

Активные УСО способны работать в автономном режиме слежения за состоянием управляемого объекта (процесса), а также выполняют определенные алгоритмы преобразования информации, например, алгоритмы регистрации параметров и сигнализации об отклонении их от нормы, регулирования по одному из относительно простых законов и др. Построение УСО по активному принципу позволяет повысить надежность АСУ ТП в целом и эффективность использования управляющей вычислительной машины в результате сокращения потока информации, поступающей от объекта управления в управляющую ЭВМ.

В настоящем дипломе разрабатывается конструкция функционально законченного устройства связи с объектом в системе сбора и первичной обработки информации о состоянии процесса бурения (рис.ццц). Система сбора и первичной обработки информации о состоянии процесса бурения является важнейшей функциональной подсистемой АСУ ТП ЗОЯ.

В основном схема разработана на интегральных микросхемах ТТЛ серии К555 и К155. Данная модель является практичной, недорогой и простой и позволяет связать датчик любого типа с IBM PC или эквивалентным компьютером. Подробно рассматриваются принципы функционирования системной шины IBM PC и базовый аппаратный интерфейс, с которым связана вышеуказанная конструкция, а также работа системы прерываний, счетчиков и таймеров.

4.3 Описание работы схемы

В разрабатываемой схеме можно использовать до 64 портов - 32 входных и 32 выходных. В таблице ххх дается распределение портов платы.

Таблица

Параллельный порт ввода-вывода

Хотя компьютер IBM PC и обладает очень мощными средствами обработки данных, одного этого ему недостаточно. Он нуждается также и в средствах взаимодействия с внешним миром. Для обмена данными между компьютером и периферийным устройством необходимы аппаратные средства ввода-вывода и соответствующее программное обеспечение.

Временные диаграммы

Ключом к успешному созданию любого интерфейса с системой является обеспечение совместимости временного распределения его работы с аналогичными параметрами системной шины. Во временных диаграммах и таблицах, приведенных на рис. 3.5, представлена детальная информация о временном распределении шинных циклов записи и чтения для ВВ.

Шинный цикл обычно состоит из четырех рабочих периодов длительностью Т (машинный такт), однако компьютер автоматически вводит в этот цикл дополнительный период ожидания (TW). Таким образом, в компьютере весь шинный цикл ВВ содержит как минимум пять периодов Т, т.е. его длительность равна примерно 1,05 мкс. Шинный цикл может быть дополнительно увеличен путем регулирования длительности сигнала готовности (10 СН RDY) на системной шине. Обратите внимание на то, что выводы А16--А19 адресной шины компьютера не переводятся в активное состояние во время шинных циклов ВВ.

Шинный цикл чтения ВВ инициируется каждый раз, когда микропроцессор 8088 выполняет команду IN. Во время периода Т1 в активное состояние переключается линия сигнала ALE, по срезу которого выдается признак того, что разряды АО--А15 адресной шины содержат действительный адрес порта ВВ. Во время периода Т2 в активное состояние переводится сигнал управления IOR, который указывает, что отклик адресуемого входного порта должен заключаться в выводе им своего содержимого на шину данных. В начале периода Т4 процессор считывает информацию с шины данных, а затем линия сигнала IOR переводится в неактивное состояние.

Шинный цикл записи ВВ инициируется каждый раз, когда процессор 8088 выполняет команду OUT. Во время периода Т1 в активное состояние переводится управляющий сигнал ALE, по срезу которого выдается признак того, что разряды АО-А15 адресной шины (содержат действительный адрес порта. Затем во время периода Т2 в активное состояние переключается сигнал IOW, который указывает выбранному выходному порту, что ему следует считать содержимое шины данных. Далее в течение этого же периода процессор 8088 выводит на шину данные, которые должны поступать на выходной порт. В начале периода Т4 сигнал IOW переходит в неактивное состояние и процессор 8088 удаляет данные с шины.

В таблицах, представленных на рис 3.5, приводится информация о временных соотношениях в виде данных для наихудшего случая по максимуму и минимуму. Следовательно, эти данные справедливы для всех условий нагрузки шины и всех уровней напряжений питания в пределах заданных допусков.

Сопряжение компьютера РС с микросхемой порта ввода-вывода типа Intel 8255

Программируемый таймер/счетчик

Программируемый таймер ИС КР580ВИ3 содержит три независимых 16-разрядных счетчика, выполняющих счет в обратном направлении. Предварительный установка позволяет задавать двоичный или двоично-десятичный алгоритм счета, причем каждый из счетчиков может работать в одном из шести режимов:

Прерывание терминального счета;

Ждущий мультивибратор;

Генератор импульсный;

Генератор меандра;

Одиночный программно формируемый стробирующий сигнал;

Одиночный аппаратно стробирующий сигнал.

Частота следования синхроимпульсов может быть в пределах до 2,5 МГц.

В разрабатываемом устройстве на основе таймера-счетчика ИС 8253 реализована счетная схема. Источник напряжения 5 В подключается между точками Vcc и GND. Линии D0-D7 подведены к буферизированной шине данных.

Цифро-аналоговый преобразователь

На рис.ррр показана внутренняя схемотехническая организация 8-разрядного ЦАП AD 558 фирмы Analog Devices. Когда обе управляющие линии выбора кристалла находятся в активном состоянии, на 8-разрядный фиксатор поступает байт данных от шины данных. Это 8-разрядное двоичное число хранится в фиксаторе до тех пор, пока не выбирается следующий кристалл. Каждый разряд фиксатора контролирует состояние транзисторного ключа, действующего на R = 2R резисторную матрицу с лазерной подгонкой, состоящую из 16 резисторов. К конечному ОУ подключена резисторная цепь, с помощью которой пользователь может устанавливать диапазон изменения выходного сигнала.

На рис. ллл показана схема подключения выводов ЦАП при использовании на интерфейсной плате. Линия выбора порта Е11 (порт ЗОВН) инициализирует выбор ЦАП как порта вывода. При переключении линии управления выходное напряжение изменяется в диапазоне 0…2,56 В.

Наличие двух общих (земляных) выводов у микросхемы AD558 типично для устройств, реализующих как аналоговые, так и цифровые функции. Эти выводы предназначены для минимизации резистивной связи и шума в цепях прохождения аналогового сигнала.

Для уменьшения шума (помех) в системе, содержащей как аналоговые, так и цифровые компоненты, хорошие практические результаты дает использование всюду внутри системы раздельных общих проводов для аналоговых и цифровых схем и соединение этих общих проводов друг с другом только в одной точке.

Аналого-цифровой преобразователь

Обоснование выбора АЦП

4.4 Расчет производительности

Производительность системы рассчитывается путем оценки полного времени, затрачиваемого на одно преобразование. Список всех временных задержек, называемых временным бюджетом, облегчает расчет производительности.

4.5 Расчет точности

Для расчета точности системы используется список основных источников погрешностей в системе, начиная от ее аналогового входа и заканчивая цифровым выходом. Прочие погрешности, не указанные в таблице бюджета погрешностей (погрешность, возникающая в результате спада напряжения на выходе УВХ в режиме хранения и т.д.) пренебрежительно малы (не превышают 0.01%)

Таким образом, гарантируется точность не хуже 1%.

Глава 5. Разработка программного обеспечения

Методика разработки ПО предусматривает несколько этапов, которые во многом совпадают с этапами разработки системы в целом

1) точная постановка проблемы;

2) выбор алгоритмов и выражение их в терминах и понятиях конкретных операционных и аппаратных средств системы,

3) выбор языка программирования,

4) спецификация структуры программ,

5) кодирование (программирование),

6) отладка программ и тестирование на контрольных примерах,

7) пересмотр предыдущих этапов по результатам отладки,

8) документальное сопровождение.

Программное обеспечение подразделяется на общее и специальное. Общее программное обеспечение АСУ ТП представляет собой ту часть ПО, которую обычно поставляют в комплекте со средствами вычислительной техники. Важнейшая часть общего ПО - операционная система, которая представляет собой комплекс программ, осуществляющих управление вычислительным процессом и реализующих наиболее общие алгоритмы обработки информации и управление стандартными УВВ для конкретной ЭВМ. Потребность в операционной системе в случае применения управляющих ЭВМ обусловлена двумя основными факторами: эффективным использованием вычислительных ресурсов, в частности, времени и памяти ЭВМ, а также скоростью реакции на события, происходящие в технологическом процессе. Операционная система состоит из некоторой главной программы, называемой супервизором или монитором, и набора специальных системных подпрограмм, работающих под управлением главной программы. Операционная система в программном обеспечении АСУ ТП является той «вычислительной средой», в которой существуют специальные программы, реализующие собственно автоматизированное управление технологическим процессом. Операционная система обеспечивает выполнение общесистемных процедур, а также всех стандартных операций, используемых при работе программных модулей специального программного обеспечения.

К общесистемным процедурам относятся:

распределение ресурсов процессора между программными модулями в соответствии с их приоритетами;

работа с системой прерываний и запуск или остановка отдельных модулей в соответствии с состоянием системы прерываний;

синхронизация работы программных модулей средствами операционной подсистемы синхронизации событий с целью реализации требуемых причинно-следственных связей и последовательностей в процессе управления;

организация единой службы времени в рамках данной системы и выполнение всех требуемых операций, связанных с использованием абсолютных или относительных значений времени (информация о текущем времени суток, отсчет интервалов времени, хронометрирование заданных технологических операций и т. п.);

контроль и диагностика работоспособности управляющего вычислительного комплекса.

Разработка программы вывода информации о параметрах процесса на экран ЭВМ.

Используя разработанную настоящим дипломом плату и видеокарту персонального компьютера, можно преобразовать ЭВМ в цифровой осциллограф для сбора и обработки аналоговых данных о состоянии процесса бурения.

Программа для цифрового осциллографа написана на языке Си. Этот продукт предназначен для визуализации снимаемых с датчиков параметров, что значительно облегчает их последующий анализ. Программа позволяет принимать по одному каналу и воспроизводить аналоговый сигнал с выбранной скоростью дискретизации. Реализованные здесь функции дают возможность манипулировать данными самыми различными способами, в частности осуществлять фильтрацию нижних частот, дифференцирование и интегрирование. При разработке использовался компилятор Си фирмы Microsoft. Листинг программы представлен в приложении 1.

Разработка Бэйсик-программы для управления работой АЦП

Цикл команд OUT и INP выполняется в БЭЙСИКе приблизительно за 5 мс, так что частота выборки ограничена величиной, немного меньшей 200 отсчет/c. Программа представлена в приложении 2.

Разработка программы для выборки данных от АЦП

Программа написана на языке Си для выборки от АЦП канала 1 с интервалом в 5 мс и посылки каждого выбранного значения в ЦАП. Листинг программы представлен в приложении 3.

Размещено на Allbest.ru