Информационно-измерительная система для контроля дренирования многофазных сред на установках подготовки нефти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

Информационно-измерительная система для контроля дренирования многофазных сред на установках подготовки нефти

05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы»

кандидата технических наук

Баталов Вячеслав Сергеевич

Уфа, 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уфимской государственной академии экономики и сервиса»

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники Республики Башкортостан, доктор технических наук, профессор Ураксеев Марат Абдуллович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Исмагилов Флюр Рашитович

доктор технических наук, профессор Баширов Мусса Гумерович

Ведущее предприятие: ОАО Башкирское специальное конструкторское бюро «Нефтехимавтоматика», г. Уфа

Защита диссертации состоится 11 декабря 2008 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20а, конференц-зал

С содержанием диссертации можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета

Автореферат разослан 10 ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. Щербинина О.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Возросшие требования к качеству управления технологическими процессами и объектами в различных отраслях промышленности диктуют необходимость широкого внедрения информационно-измерительных систем, в которых информация о контролируемых физических величинах получается с помощью первичных измерительных преобразователей. В плане развития нефтегазового комплекса автоматизация процессов сбора, подготовки и транспортировки нефти связана с совершенствованием средств измерительной техники и технологий. Такое направление развития объектов нефтепромысла позволяет повысить выпуск высококачественной нефтяной продукции при увеличении ее количественных показателей.

Проблема предварительной и полной очистки нефти зависит не только от совершенствования технологического оборудования установки подготовки нефти (УПН), но и от качества функционирования информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС), которая должна обладать высокими показателями точности, информативности и надежности. На УПН и узлах учета нефти широко используются датчики температуры, давления, расхода, влажности, плотности и других физических величин в системе дренирования многофазных сред (СДМС). Такие средства измерений функционируют в нормальных условиях исследуемой среды (до 80 ^оС) и реализуются на основе резистивных (РСД), индуктивных (ИСД) и емкостных (ЕСД) сопротивлений датчиков.

Условия исследований динамических уровней расслаиваемых многофазных нефтяных смесей в отстойном аппарате УПН характеризуются механическими воздействиями в виде вибраций при переключениях задвижек на входных и выходных коллекторах, а также агрессивностью исследуемой среды. При исследованиях высокотемпературных нефтяных смесей (от 80 ^оС до 100 ^оС и выше) в промежуточных стадиях подготовки нефти путем ее термообработки указанные условия значительно усугубляются.

Кроме того, высокие давления исследуемой среды (до 2,0-5,0 мПа и выше) обуславливают использование в многоканальных телеизмерительных системах (МТИС) одножильного бронированного кабеля в качестве линии связи (ЛС). Применение такого кабеля связано также с необходимостью выполнения им силовых функций во время протяжки приборов по высоте отстойного аппарата УПН.

В связи с этим датчики параметров дренирования должны обладать повышенной надежностью, устойчивостью к механическим воздействиям, термоустойчивостью, малопроводностью, малыми габаритными размерами конструкции приборов в передающей части МТИС, высокой информативностью и обеспечением инвариантности по отношению к влияющим факторам.

Известные датчики не отвечают комплексу вышеизложенных требований.

В области создания термостойких ИИУС наиболее перспективны резистивные, индуктивные и емкостные датчики, обеспечивающие преобразование одной из физических величин температуры, давления, вязкости или плотности среды в электрический сигнал.

Условия многофазности и многокомпонентности среды выдвигают требования по созданию датчиков на основе многофункциональных способов преобразования. Относительная погрешность преобразования известных датчиков в диапазоне от 100 ^оС и выше достигает 5-10 %. Все это обуславливает необходимость поиска новых методов построения датчиков с относительной погрешностью не более 1%, инвариантных к влиянию комплекса неинформативных факторов. В связи с этим задача теоретического исследования и разработки ИИУС с комплексом резистивных, индуктивных и емкостных датчиков является актуальной.

Цель работы. Создание и исследование информационно-измерительной системы с улучшенными характеристиками (повышенными значениями надежности и информативности) для автоматизации контроля параметров дренирования многофазных сред на установках подготовки нефти.

Задачи:

1. Провести анализ существующих способов и средств измерения комплекса физических величин для оперативных исследований дренируемых параметров нефтяных смесей на УПН нефтепромысла и выработки управляющих воздействий при автоматизации его функционирования.

2. Разработать резистивные, индуктивные и емкостные датчики для ИИУС, обеспечивающие:

а) инвариантность по отношению к электрическим помехам в условиях реализации принципа многоканальности;

б) инвариантность по отношению к влияющим факторам окружающей среды, которые уточнены в новом методе исследований дренируемых параметров;

в) повышение надежности и термоустойчивости передающих частей ИИУС;

г) реализуемость метода многофункциональности измерений в составе МТИС с цифровым КС при использовании одножильного бронированного кабеля в качестве линии связи;

д) выполнение совмещенных режимов измерений, управлений и сигнализации.

3. Проанализировать детерминированные и вероятностные характеристики погрешности результата в измерительных каналах с разными типами датчиков, а также динамические погрешности при установившихся и переходных процессах в линиях связи ИИУС.

4. Выявить быстродействие и информативность действующего технологического процесса и системы.

5. Создать модули ИИУС в лабораторных условиях, провести их экспериментальные исследования с обеспечением гибкого сопряжения в общей структуре корпоративной системы.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе:

1. Систематизированы принципы построения ИИУС и дан их анализ, позволяющий создавать унифицированные модули с заданными свойствами и совмещенными режимами измерения, управления и сигнализации.

2. Разработан способ одновременного преобразования и приемо-передачи сигналов для разных датчиков в составе ИИУС, позволяющий повысить точность измерений параметров многофазных сред.

3. Развиты и обоснованы с позиций принципа инвариантности методы многофункционального и многоканального преобразования сигналов резистивных, индуктивных и емкостных датчиков, когда КП формируются изменением параметров двухполюсников и дополняются КП образцовых мер.

4. Предложены аналоговые и цифровые способы организации КП в ИИУС с двухпроводной ЛС, инвариантность которых достигается с введением КП образцовых мер при адресации и временной привязке первичных и промежуточных процессов преобразования.

5. Разработаны методики проектирования цифровых и аналоговых датчиков в составе интегрируемых модулей ИИУС, позволяющие повысить их надежность и информативность в системе дренирования многофазных сред.

6. Разработана системная модель процесса дренирования многофазных сред и принципы построения на ее основе многосвязных СДМС, определяющие структуру корпоративной системы нефтепромысла.

На защиту выносятся:

1. Систематизация принципов построения модульных структур ИИУС с разными способами одновременного измерения дренируемых параметров многофазных сред с использованием резистивных, индуктивных и емкостных датчиков.

2. Структуры МТИС с двухпроводной ЛС при разных способах комплексирования аналоговых и цифровых КП.

3. Исследования условий достижения инвариантности преобразования сигналов датчиков по отношению к влияющим факторам.

4. Методы повышения точности КП в ИИУС.

5. Реализация экспериментальных исследований и основ проектирования унифицированных модулей ИИУС в составе корпоративных систем.

Практическая ценность:

1. Разработаны принципиальные электрические схемы унифицированных модулей ИИУС, позволяющих реализовать в своем составе аналоговые и цифровые МТИС с двухпроводной ЛС.

2. Предложены оригинальные конструкции многофункциональных датчиков в составе МТИС с цифровым КС, имеющие повышенные значения точности, надежности и помехоустойчивости.

3. Разработана методика проектирования термостойких датчиков (до 300 ^оС) на основе резистивных, индуктивных и емкостных элементов.

4. Выявлена возможность обоснованного выбора числа датчиков на УПН, а также количества каналов МТИС.

5. Предложена схема интеграции модулей ИИУС в единую корпоративную систему для одновременной эксплуатации всех имеющихся объектов дренирования на нефтепромысле.

В процессе проведенных исследований и разработок получены патенты на изобретения. Основные результаты диссертационной работы в виде сравнительного анализа существующих средств измерения параметров СДМС, принципов построения ИИУС, основных рабочих характеристик, характеристик погрешностей и методики проектирования внедрены в ЦХМН УНЦ РАН (г. Уфа), а также в ООО «Теплый стан», (г. Уфа).

Принципы построения и методика проектирования ИИУС внедрены в учебный процесс при чтении лекций по различным дисциплинам, курсовом и дипломном проектировании в Уфимской государственной академии экономике и сервиса.

Методы исследования основаны на применении: теории электрических цепей и информационно-измерительных систем, методов математического моделирования, а также тестового и функционального контроля для систем управления и измерительной техники, теории дифференциальных уравнений и методов статистической обработки результатов измерений, теории погрешности и помехоустойчивости. При выполнении исследований широко использовались пакеты программных систем Statistika, Компас, MatLab, Sigma Plot и др.

Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докла-дывались и обсуждались на III Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование». (г. Томск, 2004 год); Всероссийской научно-методической конференции «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике». (г.Уфа, 2007 год); Международной научно-практической конференции «Химия и химическая технология, экология сервиса» (г. Уфа, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК, а также 1 патент и 3 положительных решения на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, и приложений. Основная часть диссертации изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 12 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении к диссертационной работе обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследований, приводятся основные положения и результаты, выносимые на защиту, отмечается их новизна, практическая и теоретическая значимость. Приводятся сведения о внедрении результатов работы и публикациях.

В первой главе проведен аналитический обзор существующих видов ИИУС, используемых на технологических объектах нефтеизвлечения, сбора, подготовки и транспортировки нефти. Показано, что в системном комплексе сбора и подготовки нефти можно использовать составные классы ИИС в виде измерительных систем (ИС), как подсистем низшей иерархии в реализации систем технической диагностики (СТД), автоматического контроля и многоканальных телеизмерительных систем (МТИС).

Установлено, что основные виды ИС (многоканальные, многоточечные, мультиплицированные и многомерные) накладывают определенные требования при создании различных типов однофункциональных и многофункциональных датчиков. Выявлено, что актуальным является разработка аналоговых и цифровых МТИС с составными методами разделения каналов (пространственным, временным и с уплотнением-разуплотнением цифровых каналов).

С целью определения комплекса измеряемых величин была рассмотрена специфика выполнения технологических процессов сбора и подготовки нефти на оборудовании УПН в соответствии с требованиями математического вида обеспечения ИИУС. Исследования гидравлической схемы обвязки УПН в процессе сбора нефти указывают на то, что она может использоваться только для стабилизации входных скважинных потоков. Анализ существующих технологий дренирования нефтяных смесей в современных системах ее подготовки указывает на группу выявленных недостатков из-за ограниченного применения одноконтурной системы дренирования. Показано, что современным требованиям удовлетворяют СДМС с учетом условий многофазности и многокомпонентности дренируемых нефтяных сред (рис. 1).

Рис. 1. Технологическая схема образования СДМС на основе УПН

Приведенная схема содержит отстойник 1, включающий входной коллектор 2 скважинной жидкости с дебитом G_с.ж., а также выходные коллекторы 3, 4, 5 и 6 для дренирования фаз нефти, воды, газа и механических примесей с дебитами G_н, G_в, G_г, и массы механических примесей _м.п., соответственно; датчики концентраций нефти 7 и 8, эмульсий 9, воды 10, механических примесей 11 и газосодержания 12 (типа СТМ-10), измеритель давления 13 (типа Сапфир 22ЕхДи), уровнемер 14 и газоуловитель 15.

Проведенный анализ дренируемых параметров указывает на то, что они могут быть получены из модели потоков многофазных и многокомпонентных нефтяных продукций в процессе динамического расслаивания

h_д = h_м.п.1 + h_н + h_э + h_в + h_м.п.2 (1)

где h_м.п.1 и h_м.п.2 - слои механических примесей легкой (битумы, парафины) и тяжелой (глина, песок) фракций; h_н, h_э, h_в - слои нефти, эмульсий и воды.

Показано, что для контроля динамических уровней указанных слоев нефтяных смесей необходимо измерение соответствующих их параметров. При этом процесс дренирования составных фаз нефтяных сред должен выполняться при совмещении режимов измерения, управления и сигнализации технического состояния ИИУС и оборудования УПН. Таким образом, разработка СДМС позволяет выявить полный перечень измеряемых физических величин для последующего определения используемых типов датчиков. Проведенный анализ существующих классов датчиков температуры и давления на нефтепромыслах и других отраслях промышленности указывает на перспективу использования РСД в первичных измерительных цепях. При анализе существующих измерителей состава нефтяных сред выявлены перспективные датчики на основе ИСД и ЕСД.

В этой же главе исследована возможность использования принципа инвариантности в измерительной технике для анализа и синтеза составных КП в ИИУС, реализуемых в процессах измерения, управления, сигнализации, и описываемых независимыми уравнениями



где a_ij - операторы взаимных связей; - количество свободных членов уравнений; x_ij - исследуемые информационные параметры; f_i- влияющие факторы.

При этом необходимым условием достижения инвариантности исследуемых систем является наличие в них не менее двух каналов передачи воздействия между точкой приложения и точкой, относительно которой достигается инвариантность. Достаточным условием достижения инвариантности исследуемых систем является неравенство нулю якобиана из дифференциальных уравнений описания их элементов.

Указаны два основных направления разработки методов преобразования сопротивлений датчиков и комплексирования КП, инвариантных к влияющим факторам исследуемой среды и неинформативным электрическим факторам ИИУС.

Первое из них предполагает реализацию передающих частей ИИУС для умеренных температурных условий эксплуатации при их комплексировании РСД, ИСД и ЕСД с преобразовательными цепями. В случае исследований высокотемпературных нефтяных сред необходима реализация датчиков с непосредственным подключением РСД, ИСД и ЕСД к выводам двухпроводной ЛС. Поскольку первая группа ИИУС наиболее подвержена воздействиям влияющих факторов среды в условиях ее многофазности и многокомпонентности, поэтому установлена необходимость двухсторонней синхронизации преобразуемых сигналов в приемной и передающей частях с комплексами КП, и введение в передающую часть ИИУС с образцовыми сигналами для повышения надежности и информативности.

Во второй группе реализуемой ИИУС принцип организации КП может быть выполнен только за счет адресации РСД и образцового резистора в составе канала преобразования образцовых мер КП₀. В этом случае приведены основные математические соотношения при выводе уравнения преобразования на примере двухканальных структур. Применение такого принципа преобразований дает возможность организации многоканальной структуры датчиков в соответствии с выявленными условиями измерений.

В конце главы рассматриваются методы анализа измерительных сигналов с установившимися и переходными процессами.

Во второй главе рассмотрена разработанная структура универсального модуля ИИУС, обеспечивающая выполнение режимов измерения, управления и сигнализации. Данная структура устанавливает возможность одновременного измерения комплекса гидродинамических параметров УПН на основе резистивных, индуктивных и емкостных датчиков. Показано, что аналоговые сигналы различных датчиков Д_i поступают через коммутатор на вход АЦП микроконтроллера. Информацию, обработанную в микроконтроллере можно воспроизвести визуально. По интерфейсу модуль связывается с каналообразующей аппаратурой для обмена данными с центральным диспетчерским пультом, а алгоритм обмена информацией с помощью протокола, принципы функционирования которого зависят от количества измерительных модулей в сети, предназначения системы, оперативности представления данных и др.

Установлена реализуемость многоканальных и многофункциональных способов обработки сигналов датчиков, включаемые в структуры унифицированных модулей ИИУС. На основе принципа многоканальности и метода образцовых мер была разработана обобщенная структурная схема многоканальных ИИС. Первая из них построена с возможностью замены протяженной ЛС на цепи с сосредоточенными параметрами для адекватного описания процесса многофункционального преобразования сопротивлений датчиков в КП₀ образцовой меры и КП_i измерительной информации. Ассиметричная схема включения таких КП позволила учесть влияющие факторы в результате выполнения инвариантных алгоритмов вычислительных процедур.

Неограниченное комплексирование многофункциональных датчиков в передающей части ИИС реализовано второй обобщенной схемой, в которой цикловые синхросигналы с выхода источника единичных возмущений через ЛС поступают в комплексный прибор и управляют промежуточным аналого-цифровым преобразованием источника информационных возмущений от многофункциональных датчиков. Выходные сигналы с этих канальных источников поступают по интерфейсной шине в приемную часть МТИС для выполнения над ними инвариантных алгоритмов вычислительных процедур. Условия физической реализуемости этих МТИС найдены при дополнительном введении КП₀ образцовой меры на передающей части.

Для исследований пространственно-распределенных параметров объектов рассмотрены многоканальные ИИС с пространственным разделением каналов на основе активных преобразовательных элементов (рис. 2).

дренируемый нефтяной смесь автоматизация



Рис. 2. Блок - схема ПИП с пространственным разделением каналов МТИС: МИЦ₀ и МИЦ_n - мостовая измерительная цепи с образцовыми и измерительными ЧЭД; КП₀ и КП_n - образцовый и измерительные каналы преобразования; U_п - напряжение питания; R_экв, R_из, r_л - эквивалентное сопротивление, сопротивления изоляции и соединительной линии; R_х - РСД

Показано, что инвариантность датчиков с РСД по отношению к помехам (условно не указанных на чертеже) достигается при введении канала преобразования образцовой меры КП₀ с идентичными преобразовательными элементами. Поэтому уравнение шкалы преобразования получается в следующих условиях. В описание уравнения преобразования КП₀ входят изменения стандарт-сигнала при изменениях температурных дрейфов МИЦ₀ и усилителей, а также величина помехи Е_п. В связи с тем, что помехи Е_п одинаково воздействуют на КП, поэтому уравнение преобразования КП₁ помимо изменения информационного сигнала будет также содержать соответствующие величины напряжений от изменений температурных дрейфов МИЦ₁ и усилителей, а также величины помехи Е_п. Установлено, что при разности уравнения преобразования КП₁ и уравнения преобразования КП₀ нежелательные дрейфы и помехи взаимоуничтожаются, чем достигается повышение точности, чувствительности и надежности измерений. Аналогично этому условию выводятся уравнения для разных групп датчиков n.

Для контроля примесей в различных нижних слоях многофазных сред в УПН разработана двухфункциональная структура датчика на основе вибрационно-частотного чувствительного элемента датчика (ЧЭД), как показано на рис.3.

Рис. 3. Блок - схема ПИП на основе ИСД а) и его градуировочные характеристики б)

Сущность измерения состава многофазных сред с избирательными режимами преобразований датчика с ИСД заключается в следующем. В исследуемую многофазную среду погружают ЧЭД с ИПСД и возбуждают в этой среде упругие колебания. При этом измеряют девиации частот f_i в двух частотных диапазонах (i=2), и по отклонению их от резонансных значений в эталонной среде (например, в воздухе) со значениями f_0j (j=2) определяют концентрации примесей _i соответствующих фаз нефтяных смесей. Для определения высоты расслоенного участка механических примесей твердой фракции на дне отстойного аппарата выполняется измерение концентрации воды в механических примесей в КП_м.п.. Для этого датчик концентрации устанавливается в верхней части слоя указанных механических примесей, функционирующий в частотном диапазоне упругих колебаний до 200 Гц. В нижней части слоя воды устанавливается датчик концентраций механических примесей в воде с диапазоном упругих колебаний от 200 Гц до 6000 Гц. В верхней части слоя воды устанавливается датчик концентраций эмульсий в воде с частотным диапазоном упругих колебаний от 200 Гц до 6000 Гц. В нижней части слоя нефти устанавливается ИП концентраций эмульсий в низкочастотном диапазоне до 200 Гц.

Инвариантность датчика с ИСД по отношению к влияющим факторам среды достигается путем введения КП₀ с коэффициентом преобразования К₀₃. Тогда значения коэффициентов преобразования для двух измерительных КП₁₁ и КП₂₂ с учетом взаимовлияющих каналов КП₁₂ и КП₂₁ выводятся в следующих соотношениях:

Обеспечение условий достижения инвариантности индуктивного датчика по отношению к неинформативным электрическим факторам находятся в модельном представлении схемы замещения и решении ее динамических уравнений.

Аналогично этим условиям выполняется достижение инвариантности датчика с ЕСД по отношению к влияющим факторам соответственно время-импульсному режиму функционирования (рис. 4).

Рис. 4. Блок-схема датчика влажности с ЕСД а) и его градуировочные характеристики б)

Блок-схема диэлькометрического влагомера состоит из опорного генератора 1, первого делителя частоты следования импульсов 2, блок фазовой автоподстройки частоты 3, автоматический управляемый генератор 4, второй делитель частоты следования импульсов 5, элемент И-НЕ 6, формирователи импульсов записи 7 и импульсов установки 8, устройство масштабирования 9, вычитающее устройство 10 и цифровой вольтметр 11. Данная схема устройства работает во время импульсном режиме функционирования.

На основании обобщенной схемы ИИУС была разработана для исследований высокотемпературных объектов МТИС с непосредственным подключением группы РСД и образцового сопротивления (рис. 5). Для приведенной схемы в качестве коммутатора передающей части используется, например, группа магнитодиодов (или герконовых реле), устанавливаемых напротив вращающегося вала с постоянным магнитом вертушечного расходомера. Показано, что условие инвариантности МТИС выполнены за счет адресного комплексирования и преобразования РСД в передающей части и адресного восстановления информации в приемной части ИИУС, а также временной привязки различных процессов преобразований.

Рис. 5. Структурная схема многоканального МТИС с РСД: БП - блок питания; ФАС - формирователь аналоговых сигналов; ФИ - формирователь импульсов; ЛС - линия связи; БВ - блок вычисления

Алгоритм инвариантного преобразования становится возможным при выводе системы i независимых уравнений преобразований РСД в следующем виде:

U_ti = I (R_xi + R_лс + R_di) + E_n

При условии одинаковых изменений величин омических сопротивлений канальных переходов в коммутаторах передающей части МТИС (R_di R_d(_i+1)), вычитая из уравнения КП₀ уравнение для измерительных каналов, получим уравнения преобразования для любого РСД в виде R_xi = U_i/I. Полученное выражение показывает на инвариантное соотношение преобразуемых значений РСД по отношению к комплексу помех, наводимых в КС МТИС. Для указанных типов датчиков с РСД, ИСД и ЕСД получены инвариантные структуры при вариациях амплитуды, а также амплитуды и частоты сигналов.

Найдены направления реализации многофункционального датчика (МФД) с индуктивно-емкостным вибрационным чувствительным элементом для измерений объемных концентраций водонефтяных эмульсий (рис. 6).

Конструктивно датчик представляет собой мембрану в виде пластины, которая через упругие пружины соединены к корпусу. В указанной схеме корпус является вторым электродом датчика и относительно его крепится электромагнитная система на изоляторах (условно не указанных). Электромагнитная система датчика представляет собой обмотку возбуждения 1, которая посредством изоляторов крепится на кронштейне 2. Ходовая втулка 3 размещена внутри обмотки возбуждения 1, а кронштейн 2 устанавливается с помощью крепежных втулок 4 к корпусу датчика. Упругие пружины 5 размещены между подвижным 6 и нулевым 7 электродами. Подвижный электрод 6 представляет собой мембрану в виде пластины, которая крепится с ходовой втулкой 3. Нулевой электрод 7 является корпусом датчика.

В процессе создания МФД концентраций эмульсий выявлена его функциональная особенность с необходимостью введения двух взаимодействующих каналов - канала преобразования вязкости КП и канала преобразования влажности КП_W (рис. 7). Согласно приведенной функциональной схеме КП состоит из входного коммутатора, датчика тока (ДТ) в цепи обмотки возбуждения (ОВ) электромагнитной системы, триггера (Тг) управления ОВ и Тг управления кодируемыми импульсами, логических элементов 2И и 2ИЛИ, а также кодируемого счетчика (Сч) с выходными информационными кодами N.



Рис. 6. Схематическая конструкция МФД концентраций эмульсий а) и его градуировочная характеристика б): 1 - обмотка возбуждения (ОВ); 2 - кронштейн; 3 - ходовая втулка; 4 - крепежные втулки; 5 - пружины; подвижный 6 и нулевой 7 электроды

Канал влажности КП_W состоит из чувствительного элемента датчика (ЧЭД), измерительной цепи (ИЦ), ограничителя зазора (ОЗ), формирователя цикловых импульсов (ФЦИ), коммутатора и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с выходными информационными кодами N_W. При этом установлено, что результаты устойчивых измерений объемных концентраций эмульсий на основе МФД могут быть получены с учетом номинальных градуировочных характеристик каналов преобразования вязкости КП и влажности КП_W(D_i) с различными i характеристиками дисперсионности состава, как изображено на рис. 6, б.

В соответствии обобщенной схеме ИИУС разработана структура цифровых МТИС в составе измерительных и управляющих микроконтроллеров (рис. 8). Для этих датчиков уменьшены противоречия между быстродействием, информативностью, надежностью и снижением габаритных размеров датчиков за счет совершенствования их структур. Показано, что совершенствование физических принципов используемых КП_х и способов измерений комплексов технологических параметров дает возможность получить наиболее рациональные структуры МТИС с использованием образцовых КП с выходными стандарт-сигналами.

Рис.7. Функциональная схема датчика концентрации эмульсий

В третьей главе рассмотрены детерминированные характеристики погрешности результата в КП с РСД. При этом преобразования медленно изменяющихся сигналов в код проанализированы с помощью интегральных оценок погрешностей. Показано, что при максимальном значение погрешности преобразо-ваний в 0,1 % можно с достоверной точностью обеспечить результаты измерений.

Исследованы вероятностные характеристики погрешности результата в КП с ИСД и ЕСД при последующем определении максимальных величин среднеквадратических отклонений, полученных в результате эксперимента. Показано, что наиболее вероятные значения измеряемых величин определяются на основе распределения Стьюдента. В результате исследований помехоустойчивости датчика установлено многократное обеспечение допустимых значений сигнал/помеха.

Проанализированы динамические погрешности ИП для переходных и установившихся процессов в ЛС. Показано, что для переходных и процессов в ЛС величина погрешности в 0,03 % полностью устраняется. Для установившихся процессов в ЛС суммарная погрешность обусловлена задержкой переключения КП и запаздыванием преобразуемых сигналов в приемной части ИИУС. В результате анализа установлено, что эта погрешность устраняется при временной задержке в начале каждого цикла преобразования.



Рис.8. Блок - схема цифрового канала связи МТИС: МСД - микроконтроллер сигналов датчиков; СМ - системный микроконтроллер; ИТ - импульсные трансформаторы; ОУ - оконечные усилители; УО - усилители-ограничители; БПКП - блок питания аппаратурного тракта; СН - стабилизатор напряжения

В конце главы произведена информационная оценка быстродействия и информативности ИИУС по характеристическим участкам исследуемых гидродинамических процессов в УПН. В совмещенных координатах и дискретной форме можно определить первую и вторую производную исходной функции. На основе принципа полиноминального приближения функции Х(t) к реальной и с соблюдением заданных показателей точности, интервал времени преобразования датчиков можно определить по формуле:

где - суммарная погрешность измерительного канала.

При этом необходимое количество информации рассматриваемого измерительного канала определяется в следующей зависимости:

На основании заданных значений Х(t) = 104 Гц/с² и = 0,4 %, значение частоты опроса каждого датчика по формуле (4) определяется величиной F_оп = 1/Т = 9,8 Гц., а количество информации определяется по формуле (5) величиной I = 8 двоичных единиц на символ, оперирующих при обработке цифровых информационных сигналов. При максимальной величине скорости опроса группы датчиков F_макс. = 150 Гц можно определить максимальное число измерительных каналов n = F_макс. / F_оп 15 n_{допустим.}= 12.

В четвертой главе рассмотрена особенность реализуемости модульной структуры ИИУС в составе сложных промышленных корпоративных информационных систем (ПКИС) в задачах полнофункционального контроля многосвязных СДМС в системном подходе проектирования (рис. 9).



Рис. 9. Обобщенная структурная схема ПКИС

Основой реализации такой системы является перенос апробированных Интранет и Web-технологий в производственных условиях функционирования. К отличительной особенности ее (по сравнению с экономической корпоративной системой) относится обработка данных ИИУС в реальном времени и интеграция их с данными пользовательского уровня. Причем модульные структуры ИИУС реализованы на основе измерительно-управляющих модулей (ИУМ_i), а также модулей технической диагностики (МТД_i) в различных сочетаниях и обеспечивают условия стандартизации, сертификации и унификации применяемых разработок.

Исходя из анализа применяемых видов ИИУС показаны особенности применения стандартизованных промышленных сетей - датчиковых сетей и сетей уровня промышленных контроллеров. Установлена специфика аппаратно-программной реализации интеграционного сервера. Показано, что данные технического уровня с интеграционного сервера подлежат обработке в клиент-серверных технологиях локальных сетей, а также смежных корпоративных или глобальных электронных сетях.

В конце главы рассмотрены принципы построения унифицированных модулей, а также реализуемости МТДi в структуре системы защиты и автоматики для диагностики устройств управляемых приводов задвижек на УПН. Показано, что такая система с резервируемыми КП позволяет выполнять функции ранней диагностики технологического оборудования УПН и аппаратурных трактов ИИУС, что позволяет перейти на безаварийный круглосуточный режим их работы.

Описано внедрение результатов диссертационной работы в промышленность и учебный процесс, которое подтверждает практическую значимость полученных результатов.

Основные результаты и выводы

1. В результате комплексного анализа современных методов и средств измерения гидродинамических параметров температуры, давления, физических свойств и уровней многофазных жидкостей, показана перспективность применения их в ИИУС, что приводит к эффективности функционирования СДМС. В процессе исследований известных технических решений были систематизированы принципы построения ИИУС и датчиков на основе резистивных, индуктивных и емкостных сопротивлениях датчиков, позволяющие создавать СДМС с заданными свойствами и качеством.

2. Разработаны способы многоканального и многофункционального преобразования резистивных, индуктивных и емкостных датчиков на основе синтеза алгоритмов, инвариантных к влияющим факторам среды и неинформативным электрическим факторам, включающим составление аналитических моделей КП при описании их независимыми уравнениями преобразования и вывод соотношения синтеза алгоритмов преобразования, которые позволяют определить функциональные взаимосвязи и параметры составных КП. Показано, что новые способы преобразования являются эффективным средством разрешения противоречия между показателями точности, информативности и надежности ИИУС.

3. Разработаны и исследованы аналоговые и цифровые способы организации КП в МТИС с двумя методами получения информации от датчиков при вариации амплитуды, а также амплитуды и частоты сигналов при достижении инвариантности по отношению к влияющим факторам. Новизна структур датчиков защищена публикациями в центральных изданиях. Найденные условия достижения инвариантности МТИС с резистивными, индуктивными и емкостными сопротивлениями датчиков устанавливают необходимость дополнительного использования КП образцовых мер, а также адресации и временной привязки первичных и промежуточных процессов преобразований.

4. Проведен анализ детерминированных и вероятностных характеристик погрешностей результата для ИИУС с резистивными, индуктивными и емкостными датчиками и исследованы их динамические характеристики при переходных и установившихся процессах в ЛС. На основе анализа погрешностей приведены пути снижения их доминирующих величин, что определяет границы применимости разработанных способов измерений.

5. В результате произведенной информационной оценки ИИУС для обеспечения заданных показателей точности выявляется значение его информативности, получаемое не менее 8 двоичных единиц на символ при цикловой частоте опроса на преобразование каждого датчика не менее F_оп 9,8 Гц.

Установлено, что для модулей ИИУС с временным разделением сигналов при максимальной величине скорости опроса группы датчиков F_макс. = 150 Гц максимальное число измерительных каналов n = F_макс. / F_оп 15 n_{допустим.}= 12. Для модулей ИИУС с временным уплотнением-разуплотнением сигналов максимальное число каналов n 1000 n_{допустим.}= 12.

6. Создан опытный образец модулей ИУМ и МТД в ИИУС. Показано, что такие модули могут входить как подсистемы в промышленные корпоративные системы, обеспечивающие взаимодействие более сложных СДМС в системном подходе к их созданию. Проведенный анализ указывает на специфику применения стандартизованных промышленных сетей и аппаратно-программной реализации интеграционного сервера. Доступ к данным интеграционного сервера обеспечивается в сетевом окружении пользовательских вычислительных сетей на основе клиент-серверных, а также Интранет и Web-технологиях. Показаны пути повышения высокой надежности корпоративных систем на основе ИИУС с режимами сигнализации состояния ее аппаратурных трактов, а также резервируемой диагностики технологического оборудования СДМС.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

Научные статьи в центральных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Ураксеев М.А. Датчик концентрации водонефтяных эмульсий [текст] / В.С. Баталов, М.А. Ураксеев // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2008. - № 10. - С. 25-28.

2. Ураксеев М.А. Портативный измерительно-управляющий модуль в системе дренирования многофазных сред [текст] / В.С. Баталов, М.А. Ураксеев // Экологические системы и приборы. - 2008. - № 9. - С. 23-26.

3. Баталов В.С. Моделирование измерительных каналов динамических уровней многофазных нефтяных смесей [текст] / В.С. Баталов // Башкирский химический журнал - 2008. - Том 15. - № 1. - С. 82-86.

4. Баталов В.С. Реализация системной модели процесса дренирования многофазных нефтяных смесей [текст] / В.С. Баталов // Башкирский химический журнал - 2008. - Том 15. - № 1. - С. 98-103.

Публикации в сборниках научных трудов, материалы конференций и патенты:

5. Баталов В.С. Разработка портативных аналоговых и цифровых систем защиты и автоматики [текст] / В.С. Баталов. - М.: ВИНИТИ РАН. 2007, 28 с. №240-В2007 от 12.03.2007 г.

6. Баталов В.С. Многоканальный измерительный комплекс для исследований параметров дренирования многофазных нефтяных продукций [текст] / В.С. Баталов. - М.: ВИНИТИ РАН. 2008, 11 с. №275-В2008 от 27.02.2008 г.

7. Баталов В.С. Проектирование сетей для обучения и научных исследований [текст] / В.С. Баталов, Р.Р. Яхин // Качество образования: Теория и практика: Сб. матер. Всероссийской научно-практич. конф. - Томск: НТЛ, 2004. - С.162-163.

8. Баталов В.С. Модель количественной оценки информативности управляемых технических систем [текст] / В.С. Баталов, Р.Р. Яхин // Информационные технологии и математическое моделирование: Сб. матер. III Всероссийской научно-практич. конф. по динамическим системам. - Томск: ТГУ, 2004. - С.145-146.

9. Баталов В.С. Моделирование цифрового канала связи для обработки сигналов датчиков [текст] / В.С. Баталов, Р.Р. Яхин // Информационные технологии и математическое моделирование: Сб. матер. III Всероссийской научно-практич. конф. по динамическим системам. - Томск: ТГУ, 2004. - С.146-148.

10. Баталов В.С. Особенности создания корпоративных информационных систем [текст] / В.С. Баталов // Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике: Сб. матер. Всероссийской научно-методич. конф.- Уфа: РИО РУНМЦ МО РБ, 2007. - С.64-69.

11. Баталов В.С. Моделирование технико-экономической эффективности аналоговых и цифровых измерительных каналов [текст] / В.С. Баталов // Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике: Сб. матер. Всероссийской научно-методич. конф.- Уфа: РИО РУНМЦ МО РБ, 2007. - С.69-72.

12. Баталов В.С. Информационно-измерительная и управляющая система дренирования многофазных сред на установках подготовки нефти [текст] / В.С. Баталов // Химия и химическая технология, экология сервиса: Сб. матер. международн. научно-практич. конф.- Уфа: УГАЭС, 2008. - С.19-22.

13. Патент № 2254569 RU. МКИ G01N27/22. Диэлькометрический влагомер [текст] / В.С. Баталов; заявитель и патентообладатель В.С. Баталов; опубл. 20.06.2005. Бюл. № 17.

14. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2004112742/20 от 23.01.05г. МКИ G01N27/22. Кондуктомер [текст] / В.С. Баталов; заявитель и патентообладатель В.С. Баталов.

15. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2006118331/20 от 01.06. 05г. Микропроцессорная система защиты [текст] / В.С. Баталов, С.И. Евдокимов; заявитель В.С. Баталов и С.И. Евдокимов.

16. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2007118331/20 от 05.10.07 г. Способ автоматического регулирования процесса дренирования многофазных сред из отстойных аппаратов [текст] / В.С. Баталов; заявитель и патентообладатель В.С. Баталов.

Размещено на Allbest.ru

...