Автоматизация нефтегазовых предприятий преследует сразу несколько целей
 Скачать 61.74 Kb.
|
|
1. Основные цели и задачи автоматизации объектов нефтегазовой отрасли. Автоматизация нефтегазовых предприятий преследует сразу несколько целей: Сокращение необходимого для обслуживания персонала. Повышение экологичности предприятия. Повышение объёма и эффективности производства, уменьшение издержек. Обеспечение высокого уровня безопасности. что автоматизация производства помогает обеспечить непрерывность всех процессов. Как правило, нефтегазовые предприятия работают по сменам, круглосуточно. Автоматизация производств решает несколько задач: Обеспечение непрерывности добычи и переработки. Обеспечение безопасности. Минимизация потерь (утечек сырья и продукта). Минимизация выбросов, вредных для окружающей среды, и санкций от государства за эти выбросы. Контроль за каждым процессом, поиск сбоев и нарушений. Конечная цель автоматизации производства – уменьшение всех видов затрат и при этом обеспечение высокой производительности труда и безопасности. 2. Основные и вспомогательные объекты автоматизации в системах нефте-, газодобычи. К основным объектам относятся нефтегазоскважины, резервуарные парки и нефтебазы; головные и промежуточные перекачивающие насосные станции; пункты (узлы) учета нефти; линейная часть (участки) магистрального трубопровода; газо- и нефтехранилища; пункты подготовки газа и нефти к транспорту; газокомпрессорные станции; нефтеперекачивающие станции, пункты учета газа. К вспомогательным объектам автоматизации относятся системы водо-,тепло-,масло-,энерго- и воздухоснабжения. Все эти объекты в той или иной мере автоматизированы. 3. Архитектура автоматизированной системы Автоматизированная система управления в зависимости от ее назначения и программного обеспечения может быть системой сбора данных, системой диспетчерского или автоматического управления, системой контроля, испытаний, диагностики и т.д. Простейший вариант автоматизированной системы управления строится на основе компьютера, устройств ввода-вывода, датчиков и исполнительных устройств.компьютера, устройств ввода-вывода, датчиков и исполнительных устройств. Существует огромное разнообразие датчиков (температуры, влажности, давления, потока, скорости, ускорения, вибрации, веса, натяжения, частоты, момента, освещенности, шума, объема, количества теплоты, тока, уровня и др.), которые преобразуют физическую величину в электрический сигнал. Если параметры сигнала не согласуются с параметрами входа аналого-цифрового преобразователя (АЦП) или не соответствует стандарту (например, входной величиной АЦП является напряжение в диапазоне 0...10 В, а датчик (термопара) имеет выходное напряжение в диапазоне от 0 до 100 мВ), то используют измерительный преобразователь, который обеспечивает нормализацию сигнала датчика (приведение к стандартным диапазонам изменения, обеспечение линейности, компенсацию погрешности, усиление и т.п.). Измерительные преобразователи обычно совмещают с модулями аналогового ввода. 4. Профиль автоматизированной системы. Профиль автоматизированной системы представляет собой подмножества и/или комбинации базовых стандартов информационных технологий, необходимые для реализации заданных наборов функций. Стандарт - эталон, модель, принимаемые за исходные для сравнения с ними других объектов, совокупность нормативно-технических документов, описывающих эталон. Этапы жизненного цикла АС Понятие жизненного цикла является одним из базовых понятий методологии проектирования информационных систем. Жизненный цикл автоматизированной системы представляет собой непрерывный процесс, начинающийся с момента принятия решения о создании информационной системы и заканчивающийся в момент полного её изъятия из эксплуатации. 5. Основные понятия интегрированной системы. Управление производством на основе интегрированных систем проектирования и управления. 6. Определение интегрированной системы проектирования и управления. Принципы построения современных интегрированных систем. ИСПиУ – это программно-аппаратный комплекс, предназначенный для проектирования АСУТП и реализующий в разработанной АСУТП функции управления верхнего уровня. Основная отличительная особенность ИСПиУ – совмещение в рамках одной системы функций проектирования АСУТП и функций, выполняемых самой АСУТП. Требования к ИСПиУ: 1. универсальность (широкий спектр областей применения); 2. низкая стоимость; 3. возможность наращивания системы и объединения нескольких систем в одну; 4. удобство работы оператора (наглядность); 5. простота разработки и внедрения; 7. Структурные схемы автоматизированной системы. Структурной схемой системы автоматического управления называют графическое представление ее математической модели в виде соединений звеньев, изображаемых в виде прямоугольников или окружностей (для сумматора), с указанием входных и выходных переменных. Обычно внутри прямоугольника указывается условное обозначение оператора, изображаемого им звена, а сам оператор в виде передаточной функции или дифференциального уравнения задается вне структурной схемы.  Рис. 1. В сумматоре входные переменные складываются (рис. 1 а). Однако если перед каким-либо входом стоит знак минус, переменная по этому входу вычитается (складывается со знаком минус) (рис. 1 б). 8. Функциональные схемы автоматизации. Функциональные схемы автоматизации представляют собой чертеж, на котором схематически условными обозначениями изображены: - технологическое оборудование; - коммуникации; - органы управления и средств автоматизации (приборы, регуляторы, вычислительные устройства, элементы телемеханики), с указанием связей между технологическим оборудованием и элементами автоматики, а также связей между отдельными элементами автоматики. Вспомогательные устройства (редуктор или фильтры для воздуха, источники питания, соединительные коробки) на функциональных схемах автоматизации не показывают. ФСА технологической установки выполняют, как правило, на одном чертеже, на котором изображают аппаратуру всех систем контроля, регулирования, управления и сигнализации, относящуюся к данной технологической установке. 9. Выбор контроллерного оборудования. Виды, назначение, технические характеристики. Задачей выбора средств реализации проекта АС является анализ вариантов, выбор компонентов АС и анализ их совместимости. Конкретные типы средств автоматизации выбирают с учетом особенностей технологического процесса и его параметров. В первую очередь принимают во внимание такие факторы, как пожаро и взрывоопасность, агрессивность и токсичность среды, число параметров, участвующих в управлении, и их физико-химические свойства, дальность передачи сигналов информации и управления, требуемые точность и быстродействие. Эти факторы определяют выбор методов измерения технологических параметров, требуемые функциональные возможности регуляторов и приборов (законы регулирования, показание, запись и т.д.), диапазоны измерения, классы точности, вид дистанционной передачи и т.д. Конкретные приборы и средства автоматизации следует подбирать по справочной литературе, исходя из следующих соображений: - для контроля и регулирования одинаковых параметров технологического процесса необходимо применять однотипные средства автоматизации, выпускаемые серийно. При этом нужно отдавать предпочтение приборам и средствам автоматизации Государственной системы промышленных приборов (ГСП); - при большом числе одинаковых параметров рекомендуется применять многоточечные приборы; - класс точности приборов должен соответствовать технологическим требованиям; - для автоматизации технологических аппаратов с агрессивными средами необходимо предусматривать установку специальных приборов, а в случае применения приборов в нормальном исполнении нужно защищать их. 10. Выбор измерительных средств КИПиА. Виды, назначение, технические характеристики. Основой при выборе измерительных средств является Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации. ГСП- это совокупность устройств получения, передачи, хранения, обработки и представления информации о состоянии и ходе различных процессов и выработки управляющих воздействий на них. ГСП состоит из унифицированных элементов, модулей и блоков, допускающих информационное, энергетическое и конструктивное сопряжение в агрегатных комплексах и автоматизированных системах управления. В ГСП входят электрические, пневматические и гидравлические приборы и устройства в обыкновенном, виброустойчивом, герметичном, пыле- и влагозащищённом исполнении. К устройствам получения информации относятся датчики, кнопки, табуляторы и клавиатура, устройства, формирующие сигналы для передачи на расстояние. Передача информации осуществляется либо непосредственно через каналы связи (при небольших дистанциях или специально выделенных каналах связи), либо через устройства телемеханики (на большие расстояния). Передача сигналов от многих источников в одно место достигается при помощи устройств централизованного контроля. 11. Выбор исполнительных устройств. Виды, назначение, технические характеристики. Исполнительным устройством (ИУ) называется устройство в системе управления, непосредственно реализующее управляющее воздействие со стороны регулятора на объект управления путем механического перемещения регулирующего органа (РО). Исполнительные устройства (ИУ) состоят из двух основных функциональных узлов: • Регулирующего органа (привода), предназначенного для управления исполнительным механизмом в соответствии с командной информацией, полученной от управляющего устройства. • Исполнительного механизма - клапана, заслонки и т.д., воздействующие на процесс путем изменения пропускной способности трубопровода. В зависимости от конструктивных особенностей РО исполнительные устройства подразделяют на виды: - заслоночное; - односедельное; - двухседельное; - трехходовое; - шланговое; - диафрагмовое. 12. Способы регулирования расхода. Оборудование, назначение, технические Регулировать расход можно различными способами: изменить подачу насоса или отправить часть жидкости на слив. Рассмотрим каждый из этих способов подробнее. Расход жидкости в гидроприводе определяется подачей одного или нескольких насосов. Идеальную подачу объемного насоса можно вычислить по формуле: Qн=q∙n где: q - рабочий объем, n - частота вращения вала насоса. Изменяя рабочий объем или частоту вращения вала насоса можно изменить его подачу. Существуют два способа регулирования подачи, основанные на изменении одного из указанных параметров. 13. Способы регулирования уровня. Оборудование, назначение, технические характеристики. На практике находят применение следующие способы регулирования уровня: 1. Изменением расхода жидкости на входе в аппарат – регулирование на притоке 2. Изменением расхода на выходе аппарата – регулирование на стоке 3. Соотношением расходов на притоке и стоке В данном случае для регулирования уровня используется каскадная АС с промежуточной величиной – соотношением расходов на притоке и стоке (FFC – стабилизирующий регулятор соотношения расходов). Каскадная АС позволяет повысить качество регулирования уровня по сравнению с одноконтурными. 14. Функции и структуры интегрированных систем. Требования к интегрированным системам управления. Эксплуатационные характеристики SCADA- систем. 15. Нижний уровень интегрированных систем управления. Классификация, назначение, технические характеристики. Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный, уровень PLC, ЛСА) - включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию УВК верхнего уровня и локальным PLC, которые могут выполнять функции сбора и обработки информации о параметрах ТОУ и управления ТОУ или чаще только функции управления электроприводами и другими исполнительными механизмами или выполнения задач автоматического логического управления и др. Так как информация в PLC или в интеллектуальных датчиках предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи. 16. Обеспечение работы распределенных АСУ. 17. SCADA системы. Интеграция многоуровневых систем автоматизации. Сравнительный анализ и тестирование SCADA-систем. Концепция SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) предопределена всем ходом развития систем управления и результатами научно-технического про- гресса. Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации. Основные особенности концепции SCADA: - дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI); - полнота и наглядность представляемой информации; - доступность элементов управления; Любая SCADA-система включает в себя три следующих основ- ных структурных компонента (см. рис. 15). Remote Terminal Unit (RTU) - удалённый терминал, осуществ- ляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени. Master Terminal Unit (MTU), Master Station (MS) - диспетчерский пункт управления (главный терминал); осуществляет обработку дан- ных и управление высокого уровня, как правило, в режиме мягкого (квази-) реального времени; одна из его основных функций - обеспече- ние интерфейса между человеком-оператором и объектом управления Communication System (CS) - коммуникационная система (каналы связи), необходима для передачи данных с удалённых точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и пере- дачи сигналов управления на RTU 18. Этапы создания и функциональные характеристики систем управления. Этапы создания системы диспетчерского контроля и управления. Процесс создания системы диспетчерского контроля и управления состоит из следующих этапов. 1 Детализация технических требований на создание системы контроля и управления. 2 Разработка проектно-сметной документации (в полном или сокращенном объеме). 3 Сбор исходных данных. 4 Составление полного перечня переменных. 5 Комплектация системы. 6 Разбиение объекта управления на технологические участки; компоновка переменных по участкам и группам. 7 Заполнение (генерация) базы данных. 8 «Рисование» статических частей мнемосхем. 9 Заполнение мнемосхем динамическими элементами. 10 Составление схемы переходов между мнемосхемами. 11 Генерация печатных документов. 12 Верификация базы данных. 13 Разработка эксплуатационной документации. 14 Тестирование системы в автономном режиме (без УСО). 15 Монтаж. 16 Тестирование системы в рабочем режиме (с УСО). 17 Внедрение, в том числе пуско-наладка и обучение персонала. 19. Состав SCADA системы. Функциональные характеристики SCADA-систем. SCADA-система обычно содержит следующие подсистемы: Драйверы или серверы ввода-вывода — программы, обеспечивающие связь SCADA с промышленными контроллерами, счётчиками, АЦП и другими устройствами ввода-вывода информации. Система реального времени — программа, обеспечивающая обработку данных в пределах заданного временного цикла с учётом приоритетов. Человеко-машинный интерфейс (HMI, англ. HumanMachineInterface) — инструмент, который представляет данные о ходе процесса человеку оператору, что позволяет оператору контролировать процесс и управлять им. Программа-редактор для разработки человеко-машинного интерфейса. Система логического управления — программа, обеспечивающая исполнение пользовательских программ (скриптов) логического управления в SCADA-системе. Набор редакторов для их разработки. База данных реального времени — программа, обеспечивающая сохранение истории процесса в режиме реального времени. Система управления тревогами — программа, обеспечивающая автоматический контроль технологических событий, отнесение их к категории нормальных, предупреждающих или аварийных, а также обработку событий оператором или компьютером. Генератор отчетов — программа, обеспечивающая создание пользовательских отчетов о технологических событиях. Набор редакторов для их разработки. Внешние интерфейсы — стандартные интерфейсы обмена данными между SCADA и другими приложениями. Обычно OPC, DDE, ODBC, DLL и т. д. CADA-система выполняет следующие основные функции: - сбор данных от контроллеров; - первичная обработка данных; - ведение архивов данных (баз данных); - представление динамических мнемосхем объекта; - представление трендов измеряемых величин; - выдача сообщений о неисправностях и авариях; - печать протоколов и отчетов; - обработка команд оператора; - связь с другими пультами операторов 20. Требования, предъявляемые к SCADA системам. Программно-аппаратные платформы SCADA-систем. К SCADA-системам предъявляются следующие основные требования: 1) надежность системы; 2) безопасность управления; 3) открытость, как с точки зрения подключения различного контроллерного оборудования, так и коммуникации с другими программами; 4) точность обработки и представления данных, создание богатых возможностей для реализации графического интерфейса; 5) простота расширения системы; 6) использование новых технологий. 7) Требования безопасности и надежности управления в SCADA-системах включают: 8) никакой единичный отказ оборудования не должен вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления; 9) никакая единичная ошибка оператора не должна вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления; 10) все операции по управлению должны быть интуитивно- понятными и удобными для оператора (диспетчера). Программно-аппаратные платформы, на которых реализуется SCADA -система. Для выбора компьютера необходимо знать его платформу (разработанная в одной операционной среде прикладная программа может быть выполнена в любой другой, которую поддерживает выбранный SCADA-пакет), операционную систему, частоту процессора, требуемые объемы оперативной и дисковой памяти. К тому же надо знать информационную мощность отдельной станции — максимальное число вводов/выводов, скорость ввода/вывода, масштабируемость системы и т д. Современные системы SCADA работают в рамках существующих операционных систем (в основном различных версий MS Windows) и используют для связи с нижним уровнем стандартные протоколы MS Windows (DDE и ОРС). Раньше основу программной платформы составляла ОС РВ QNX. Сейчас большинство SCADA-систем реализовано на платформе MS Windows . Такие системы предлагают наиболее полные и легко наращиваемые человеко-машинные интерфейсные средства. 21. Тренды и архивы в SCADA-системах. Проектирование программного обеспечения ПЛК. Тренд – это изменение значений описательной характеристики объекта управления во времени. В системах SCADA тренд чаще всего - это графическое представление изменения переменных значений технологических параметров (например, давление, температура и т.д.), каждая из которых записывается в память компьютера через определенный интервал времени. График изменения значений технологических параметров во времени способствует лучшему пониманию динамики технологического процесса на предприятии. Поэтому подсистема создания трендов и хранения информации о параметрах с целью ее дальнейшего анализа и использования для управления является неотъемлемой частью любой SCADA — системы. Исторические (архивные) тренды не являются динамическими. Они обеспечивают «снимок» состояния данных за прошедшее время, т.е. по архивным данным. Тренды становятся историческими (Historical) после того, как данные будут записаны на диск, и можно будет использовать режим прокрутки предыдущих значении назад с целью посмотреть прошлые значения. Отображаемые данные тренда в таком режиме являются неподвижными и будут отображаться только за определенный период. Различают часовые, сменные и суточные тренды, которые используются для печати сменных документов. В отличие от трендов реального времени исторические тренды обновляются только по команде — при запуске скрипта, изменении значения выражения или нажатии оператором соответствующей кнопки. 22. Требования, предъявляемые к операционным системам реального времени при проектировании. Современные ОС PB должны удовлетворять следующим требованиям: ● малое время отклика (получение результата); ● реализация многозадачного режима с гибким механизмом приоритетов; ● малый объем памяти (достаточный для размещения в резидентной памяти прикладной системы); ● наличие сервисных функций и средств поддержки для разработки прикладных программ и ряд других. В настоящее время для разработки микроконтроллерных систем используется ОСРВ, имеющие различные характеристики и прошедшие апробацию в таких областях применения, как системы автоматизации производства, контрольно–измерительные системы, телекоммуникационная аппаратура, авиационно–космическая и военная техника, транспорт, системы обеспечения безопасности и др. 23. Особенности операционных систем реального времени. Настраиваемость операционных систем. В последнее время одной из главных тем исследовательских работ в области операционных систем стало исследование настраиваемости (customizability) или адаптируемости операционной системы. Настраиваемой или адаптируемой операционной системой называется операционная система, позволяющая гибкую модификацию основных механизмов, стратегий и политик системы. В зависимости от контекста, настраиваемость системы может преследовать различные цели. В операционных системах общего назначения, как правило, такой целью является производительность системы в целом. Для встроенных систем настраиваемость служит целям энергосбережения и/или сокращения объема программного обеспечения. Особенности Занимают очень мало памяти Потребляют меньше ресурсов Время отклика очень предсказуемо Непредсказуемая среда Ядро сохраняет состояние прерванной задачи, а затем определяет, какую задачу он должен выполнить следующим. Ядро восстанавливает состояние задачи и передает управление процессором для этой задачи. 24. Базы данных реального времени. Поддержка целостности в классических СУБД. Системы с устаревшими данными. В классическом понимании, система реального времени − это система, работа которой каким-то образом должна быть связана с реальным (а не машинным) временем. Зачастую в таких системах необходимо взаимодействовать с реальными процессами, происходящими во внешнем мире. Типичным примером систем РВ являются системы, осуществляющие контроль за физическими устройствами. Как правило, такие системы состоят из контролирующей и контролируемой систем. Контролируемая система часто рассматривается как среда, с которой взаимодействует контролирующая система, извлекая данные из среды с помощью различных датчиков. На основе этих данных контролирующая система выполняет определенные действия и поэтому важно, чтобы состояние среды, воспринимаемое контролирующей системой, как можно лучше соответствовало реальному состоянию среды. В случае большой погрешности действия контролирующей системы могут быть неадекватными. Для обеспечения целостности базы данных в классических СУБД используется механизм транзакций. Все операции с базой данных осуществляются только от лица транзакций, чье выполнение контролируется специальным алгоритмом, гарантирующим сохранение целостности базы. Алгоритмы управления транзакциями регулируют порядок совместной работы нескольких транзакций и поэтому обычно называются протоколами управления транзакциями. Такие протоколы основываются на предположении, что каждая из управляемых им транзакций обладает некоторым заданным набором свойств. Разные протоколы могут опираться на разные наборы свойств транзакций, но наиболее стандартным является так называемый набор ACID-свойств. Этот набор включает: атомарность, целостность, изолированность, постоянство. Системы с устаревающими данными имеют много общего с системами реального времени, в которых используются только дискретные данные. В частности, в них можно использовать те же протоколы управления транзакциями при условии использования другого критерия корректности работы транзакции. 25. Основные технические характеристики контроллеров и программно- технических комплексов. Схемы прохождения сигналов. К наиболее важным характеристикам относятся параметры процессорного модуля (тип и быстродействие процессора, объем памяти и пр.), наличие сопроцессора, время выполнения логической команды, наличие сторожевого таймера, часов реального времени, число встроенных и наращиваемых входов-выходов, наличие в контроллере необходимого числа модулей (ввода-вывода, специальных, коммуникационных), среда программирования контроллера (удобство и простота программирования). 26. Стандартные языки программирования контроллеров. Этапы программирования ПЛК. |