Применение контроллеров для автоматизации технологических процессов в нефтегазовой отрасли

Размещено на http://www.allbest.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Вычислительная техника и инженерная кибернетика»

Домашняя работа №1

Реферат на тему «Применение контроллеров для автоматизации технологических процессов в нефтегазовой отрасли»

Выполнил ст. гр. ПО-09-01

К.Р.Ягафарова

Проверил доцент каф. ВТИК

М. Н. Каданцев

УФА 2012



Содержание

Введение

Понятие контроллера

Контроллеры в технологических процессах в нефтегазовой отрасли

Программно-аппаратные средства автоматизации 

Вывод

Используемая литература



Введение

При создании любой автоматизированной системы управления технологическими процессами всегда приходится решать комплекс задач, связанных с выбором оборудования, на котором предполагается реализовывать данную систему. При этом необходимо учитывать комплекс как технических, так и экономических параметров. Решение о выборе технических средств для АСУТП является особенно ответственным при построении систем управления технологическими процессами подготовки и переработки нефти и газа. Это связано, в первую очередь, с наличием на таких производствах токсичных легковоспламеняющихся жидкостей и взрывоопасных сред, вследствие чего отклонения в технологических процессах могут спровоцировать аварию с большим материальным ущербом, а также ущербом для экологии. Именно поэтому ключевыми требованиями к таким системам управления являются высокая надежность аппаратной части, точность выполнения алгоритмов, а также возможность резервирования системы при управлении критичными процессами.

Процесс производства товарной нефти из сырой заключается в проведении мероприятий по дегазации, обезвоживанию и обессоливанию исходной жидкости, добываемой из скважин.

Кроме того, на нефтяных предприятиях осуществляются процессы очистки пластовой воды, выделяемой из нефтесодержащей жидкости, и подготовки её до состояния, при котором эту воду можно закачивать обратно в пласт для поддержания пластового давления, а также мероприятия по очистке и утилизации попутного газа. Таким образом, процессы, происходящие на этих предприятиях, характеризуются наличием большого количества факторов, представляющих опасность как для человека, так и для окружающей среды.

Технологические процессы на подобных объектах характеризуются достаточно большим разнообразием задач автоматизации, например:

* информационные задачи;

* измерительные задачи;

* задачи дистанционного и автоматического управления;

* технологические блокировки и аварийные защиты;

* задачи автоматического регулирования с целью поддержания норм технологического процесса;

* задачи архивирования технологической информации и информации о действиях персонала;

* задачи формирования отчетной документации, в том числе и на основании автоматического анализа процессов на объекте;

* задачи стыковки локальных систем с системами более высокого иерархического уровня с одновременным обеспечением информационной и технической безопасности доступа к этим системам;

* задачи обеспечения многоуровневого администрирования АСУТП.

Данный список далеко не является исчерпывающим, и специалисты по разработке автоматизированных систем управления, без сомнения, смогут его дополнить.



Понятие контроллера

Контроллер -- управляющее устройство (контроллер от англ. control -- управлять), применяемое в промышленности и других отраслях по условию применения и задачам, близким к промышленным (например, на транспорте). Применяется для автоматизации технологических процессов, в быту -- для управления климатом и др.

Любой программируемый логический контролер работает по следующей обобщенной схеме:

Шаг 1. - Чтение состояния входов, таких как датчики, клавиатуры, импульсы и кнопки.

Шаг 2. - Исполнение микропроцессором программы, заложенной в ПЛК пользователем и состоящей из логических связей, различных последовательностей, циклов, таймеров, счетчиков, формул и т.п.

Шаг 3. - Формирование выходных сигналов в соответствии с результатами, полученными в ходе обработки заложенной в ПЛК программы. В качестве выходных сигналов выступают открытие или закрытие реле (транзистора), запуск процедуры по управлению

технологической установкой или процессом, формирование аналоговой величины или цифрового значения.

ПЛК могут использоваться совместно с различным периферийным оборудованием, например с панелями оператора, управляемым приводом, персональным компьютером и т.п. В связи с этим контроллеры отвечают строгим требованиям, предъявляемым к промышленным электронным устройствам и касающихся, например электромагнитной совместимости, способности работать в коммуникационной сети, выполнять специфические задачи. В системе автоматического управления ПЛК является важнейшим звеном.

Общепринятыми типами и обозначениями входных/выходных сигналов контроллера

являются:

DI (Digital Input) - дискретный вход

AI (Analog Input) - аналоговый вход

PI (Pulse Input) - импульсный вход

DO (Digital Output) - дискретный выход

AO (Analog Output) - аналоговый выход

PO (Pulse Output) - импульсный выход

Контроллеры в технологических процессах в нефтегазовой отрасли

Современные системы АСУТП для объектов нефтяной промышленности традиционно строятся по общей идеологии - сигналы с с первичных датчиков и приборов по кабельным линиям связи или, в некоторых случаях, каналам радиотелеметрии поступают на входы промышленных контроллеров, одного или нескольких, в зависимости от сложности объекта, количества сигналов и развитости контроллерного комплекта. На контроллерном уровне обеспечиваются основные задачи по автоматическому контролю и управлению объектом, в том числе и по автоматическому регулированию и выполнению задач блокировок и противоаварийной защиты, а также, в ряде случаев, и архивирования текущих данных. На более высоком уровне обеспечиваются задачи визуального диспетчерского контроля, ручного дистанционного управления, долговременного архивирования данных, формирования отчетности и прочее. Выполнение этих задач обеспечивается применением высокопроизводительных промышленных компьютеров и соответствующего программного обеспечения. Тем не менее, наиболее высокие требования, в первую очередь, по надёжности, предъявляются именно к оборудованию контроллерного уровня. При этом попытка экономии на стоимости технических средств контроллерного уровня может в действительности привести к реальным финансовым потерям либо на этапе внедрения системы, либо, что гораздо хуже, при дальнейшей технической эксплуатации системы.

Учитывая вышесказанное, очевидно, что правильный выбор контроллерного оборудования, которое станет ядром всей системы, обеспечит как эффективность внедрения системы, так и надежность и качество ее эксплуатации и текущего обслуживания. Для технологических процессов добычи нефти и газа характерна значительная рассредоточенность объектов по площадям (добывающие скважины, нагнетательные скважины, групповые замерные установки, кустовые насосные станции и т. д.). Известно, что наиболее крупные российские месторождения нефти и газа находятся в Западной Сибири и на Крайнем Севере (холодно). Но не всегда имеется возможность разместить контроллеры в отапливаемых помещениях. С другой стороны, рассредоточенность объектов по большим площадям накладывает свои требования к каналам связи. Специфичны и требования к контроллерам с точки зрения количества поддерживаемых вводов/выводов (аналоговых, дискретных). 

Управление технологическими процессами добычи нефти и газа сводится к управлению оборудованием - электроцентробежными или штанговыми насосами, групповыми замерными установками, кранами. Управление реализуется командами открыть, закрыть, включить, выключить (дискретное управление).Практически отсутствует непрерывное управление технологическими параметрами с обратной связью. Широко развиты функции контроля, сигнализации аварийных ситуаций, блокировок. 

С другой стороны, многие технологические процессы сосредоточены на сравнительно небольших площадях. Это установки подготовки нефти, установки комплексной подготовки газа, дожимные насосные станции и т. п. Контроллеры, как правило, устанавливаются в отапливаемых помещениях и с точки зрения условий эксплуатации к ним предъявляются менее жесткие требования. Взаимодействие контроллеров между собой и с верхним уровнем реализуется посредством специализированных сетей. Объемы автоматизации существенны, а отсюда вытекают свои требования к «интеллекту» контроллеров и количеству поддерживаемых вводов/выводов.

Объектами управления в технологических процессах транспорта нефти и газа являются насосные и компрессорные агрегаты, цеховые и станционные краны, вспомогательное оборудование, а также линейные участки нефте-газопроводов, газораспределительные станции и т. п. Для линейных участков характерны контроль параметров, сигнализация отклонений и дискретное управление кранами. К тому же эти объекты удалены от пунктов управления на значительные расстояния. В то же время насосные и компрессорные станции - «компактные» объекты, при автоматизации которых наряду с контролем, сигнализацией и дискретным управлением реализуются функции непрерывного управления (регулирования). 

По-другому строится управление процессами переработки нефти и газа. Наряду с задачами контроля и сигнализации отклонений здесь широко развиты функции стабилизации технологических параметров в режиме с обратной связью (непрерывное управление). Схемы автоматизации установок переработки нефти и газа включают десятки, а то и сотни контуров регулирования. Управление такими процессами требует применения более сложных алгоритмов (каскадные системы, системы с компенсацией возмущений, системы со взаимозависимыми параметрами, адаптивные системы, системы оптимального управления). Остаются функции контроля, сигнализации, блокировок.

Таким образом, каждый объект нефтегазовой отрасли обладает своими особенностями с точки зрения его автоматизации. Исходя из этих особенностей, выдвигаются и соответствующие требования к архитектуре, а также аппаратным и программным средствам АСУТП. 



Программно-аппаратные средства автоматизации 

Обобщенная архитектура системы управления объектами добычи, подготовки и транспорта нефти и газа (SCADA)

На рис.4 представлена архитектура многоуровневой системы управления, обобщающая многочисленные применения таких систем для управления технологическими процессами нефтяной и газовой промышленности.

Рис.4. Обобщенная структурная схема системы управления.

Как правило, это двухуровневые системы, и именно на этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами. Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно - аппаратной платформой.

Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) - включает различные датчики (измерительные преобразователи) для сбора информации о ходе технологического процесса,электроприводы и исполнительные устройства для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным контроллерам (PLC), которые могут обеспечить реализацию следующих функций:

сбор, первичная обработка и хранение информации о состоянии оборудования и параметрах технологического процесса;

автоматическое логическое управление и регулирование;

исполнение команд с пункта управления;

самодиагностика работы программного обеспечения и состояния самого контроллера;

Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня (см. рис.4). В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции. Некоторые из них перечислены ниже: 

- сбор данных с локальных контроллеров;

- обработка данных, включая масшта-бирование;

- поддержание единого времени в сис-теме;

- синхронизация работы подсистем;

- организация архивов по выбранным параметрам;

- обмен информацией между локальными контроллерами и верхним 

уровнем;

- работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним 

уровнем;

- резервирование каналов передачи данных и др.

Верхний уровень - диспетчерский пункт (ДП) - включает одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть размещен сервер базы данных. На верхнем уровне могут быть организованы рабочие места (компьютеры) для специалистов, в том числе и для инженера по автоматизации (инжиниринговые станции). Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM PC различных конфигураций.

Все аппаратные средства системы управления объединены между собой каналами связи. На нижнем уровне контроллеры взаимодействуют с датчиками и исполнительными устройствами посредством физических линий, а с блоками удаленного и распределенного ввода/вывода - с помощью специализированных сетей.

Связь удаленных контроллеров с контроллерами верхнего уровня (концентраторами) часто реализуется по радио и телефонным каналам. В случае небольших расстояний локальные контроллеры объединяются между собой и с верхним уровнем управляющими сетями на базе витой пары, оптоволокна. 

Связь различных АРМ оперативного персонала и специалистов между собой, с контроллерами верхнего уровня, а также с вышестоящим уровнем осуществляется посредством информационных сетей (витая пара, оптоволокно). 

Спектр реализаций RTU в таких системах управления достаточно широк. Конкретная реализация RTU зависит от области применения. Это могут быть промышленные компьютеры (PC-совместимые контроллеры) или программируемые логические контроллеры (PLC/ПЛК). На российском рынке представлена широкая гамма контроллеров самых различных конфигураций и назначений.

Что касается программного продукта типа SCADA, то сейчас на российском рынке присутствует несколько десятков открытых SCADA-пакетов, обладающих практически одинаковыми функциональными возможностями. Тем не менее, каждый SCADA-пакет является по-своему уникальным, и его выбор для конкретной системы автоматизации по-прежнему остается актуальным.

Выбор коммуникационного программного обеспечения (протоколов обмена информацией) для конкретной системы управления определяется многими факторами, в том числе и типом применяемых контроллеров, и выбранным SCADA-пакетом.



Вывод

Контроллер является главным элементом в промышленной автоматизации. Именно в нем заложена программа управления технологическим процессом. Анализируя входные сигналы, контроллер подает сигнал на исполнительные механизмы, согласно заданному алгоритму. При составлении программы очень важно продумать аварийные ситуации. Процесс должен быть продуман до мелочей. Любая ошибка в составлении алгоритма повлечет за собой уменьшение производительности, уменьшению качества выпускаемой продукции, а то и вовсе к порче сырья и простою оборудования.



Используемая литература

контроллер автоматизация аппаратный нефтяной

В.А. Втюрин Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Программно-технические комплексы: Учебное пособие для студентов специальности 220301 "Автоматизация технологических процессов и производств". - СПб: СПбГЛТА, 2006. - 233 с.

И.В. Петров Программируемые контроллеры. Стандартные языки и инструменты / Под ред. проф. В.П. Дьяконова . - М.: СОЛОН-Прессб 2003. - 256 с. ил.

Размещено на www.allbest.

...