CC BY
11
_ВЕСТНИК ПНИПУ_
2022 Химическая технология и биотехнология № 4
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
DOI: 10.15593/2224-9400/2022.4.10 Научная статья
УДК 65.011.56
В.С. Яшманов, И.А. Вялых
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНЦЕВОЙ СЕПАРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ НА УЧАСТКЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ «ПАВЛОВКА»
Нефтедобывающее предприятие является сложным комплексом, состоящим из технологических объектов. Они размещены на больших площадях и осуществляют добычу, подготовку, транспортировку, хранение газа и нефти.
Непрерывность процесса добычи нефти и газа привела к разработке и внедрению систем автоматизации контроля и управления технологическими процессами. Внедрение автоматизированных систем позволяет улучшить основные показатели эффективности производства: улучшение качества, снижение себестоимости выпускаемой продукции и повышение производительности. Проектирование автоматизированных систем управления является эффективным и востребованным методом улучшения качества производства в нефтяной промышленности.
Технологический процесс участка предварительной подготовки нефти является многостадийным и представляет собой последовательность операций по обработке добываемой продукции со скважин для получения товарной нефти, утилизации воды и попутно добываемого газа. Целью работы является модернизация системы управления за счет повышения отказоустойчивости и обеспечения защищенности передачи информации на УППН «Павловка» на концевой сепараци-онной установке.
Рассмотрены проблемы эксплуатации программируемого логического контроллера, установленного на участке предварительной подготовки нефти «Павловка». Обоснован выбор ПЛК ControlEdge. Разработаны структурная схема КТС, новые алгоритмы управления и мнемосхема КСУ, при использовании ПЛК ControlEdge.
Результатом работы стало создание готового проекта по модернизации верхнего уровня системы автоматического управления на УППН «Павловка» на примере КСУ-1.
Ключевые слова: ПЛК ControlEdge, Honeywell, ControlEdge Builder, Experion PKS, Configuration Studio, HMI Display Builder.
V.S. Yashmanov, I.A. Vyalykh
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
AUTOMATION OF THE END SEPARATION INSTALLATIONS IN THE SITE PRE-TREATMENT OF OIL "PAVLOVKA"
In this paper, we consider the problem associated with the operation of a programmable logic controller of an automated system for the degassing of a water-oil emulsion in the terminal separation unit of the Pavlovka.
An oil-producing enterprise is a complex complex consisting of technological facilities. They are located on large areas and carry out the extraction, preparation, transportation, storage of gas and oil.
The continuity of the oil and gas production process has led to the development and implementation of automation systems for control and management of technological processes. The introduction of automated systems makes it possible to improve the main indicators of production efficiency: improving quality, reducing the cost of production and increasing productivity.
Thus, the design of automated control systems is an effective and popular method of improving the quality of production in the oil industry.
The technological process of the oil pretreatment site is multi-stage and represents a sequence of operations for processing the extracted products from wells to obtain commercial oil, water utilization and gas produced along the way. The aim of the work is to modernize the control system by increasing fault tolerance and ensuring the security of information transmission to the Pavlovka control station at the terminal separation unit.
The problems of operation of a programmable logic controller installed at the Pavlovka oil pretreatment site are considered. The choice of the ControlEdge PLC is justified. A block diagram of the CCC, new control algorithms and a mnemonic circuit of the CCC have been developed using the ControlEdge PLC.
The result of the work was the creation of a ready-made project for the modernization of the upper level of the automatic control system at the USPN "Pavlovka" on the example of KSU-1.
Keywords: PLC ControlEdge, Honeywell, ControlEdge Builder, Experion PKS, Configuration Studio, HMI Display Builder.
Основной задачей участка предварительной подготовки нефти (УППН) является получение продукции заданного качества определенного ГОСТ Р 51858-2002 «Нефть. Общие технические условия» в требуемом объеме наиболее экономически целесообразным способом. При эксплуатации УППН необходимо таким образом управлять производством, чтобы при высокой производительности и низких капитальных и текущих затратах обеспечить получение нефти товарного качества. При эксплуатации УППН необходимо учитывать изменения параметров сырья, требования к конечной продукции, а также непрерывное изменение пара-
метров работы оборудования вследствие непрерывного расходования его ресурсов, возможных аварий, пусков, остановок и т.д.
Технологический процесс участка предварительной подготовки нефти является многостадийным и представляет собой последовательность операций по обработке добываемой продукции со скважин для получения товарной нефти, утилизации воды и попутно добываемого газа. Целью работы является модернизация системы управления за счет повышения отказоустойчивости и обеспечения защищенности передачи информации на УППН «Павловка» на концевой сепарационной установке.
Сепарационные установки, как правило, используют для отделения газа от нефти, либо без частичного обезвоживания, либо с использованием технологии, которая позволяет непрерывно осуществлять процессы отделения растворенного газа и пластовой воды от нефти.
Основные параметры, которые задают в процессе сепарации, -это давление и температура. Регулируя их, можно создать необходимые условия для полноценного выделения газа из нефтепродукта [6].
Система управления УППН «Павловка» основана на ПЛК SCADAPack 330. С точки зрения надежности системы управления основной недостаток этого ПЛК - отсутствие возможности его резервирования. Если ПЛК выйдет из строя, то управление технологическим процессом остановится. Важно понимать, что сепарация первой ступени является ключевой стадией на УППН. Если управление технологическим процессом сепарации остановится, то остановится работа всей УППН, что приведет к простою оборудования и сокращению производства товарной нефти. С точки зрения производительности установки и получения прибыли необходимо повысить отказоустойчивость системы управления. Также связь с верхним уровнем управления осуществляется по устаревшему протоколу OPC, который не отвечает современным требованиям информационной безопасности. В связи с геополитической обстановкой введен «красный уровень опасности» для объектов критической информационной инфраструктуры, каким является УППН «Павловка». Поэтому необходимо повысить защищенность информации.
В последнее время на непрерывные производства ставят ПЛК ControlEdge от компании Honeywell. При усовершенствовании АСУТП нижний (полевой) уровень останется прежним, изменения будут только на среднем и верхнем уровнях.
В сочетании с распределенной системой управления Honeywell Experion (РСУ) этот ПЛК позволяет значительно сократить проектные расходы и трудозатраты на интеграцию систем и оборудования, а так-
же повысить безопасность и доступность за счет улучшенной защиты от кибератак на промышленных объектах [3].
На среднем уровне меняем контроллер со SCADAPack 330 на ControlEdge, при замене необходимо будет заново разработать конфигурацию и алгоритмы управления. Предлагаемая архитектура АСУТП поддерживает горячее резервирование контроллера, что повышает ее отказоустойчивость. На рис. 1 представлена предлагаемая структурная схема комплекса технических средств (КТС) при использовании ПЛК ControlEdge.
Полевое ойаруЗрваное
Рис. 1. Структурная схема КТС
На верхнем уровне устанавливаем ПО, которое представляет собой совокупность программного обеспечения ее узлов и подсистем, объединенных в единую функциональную и информационную модель на основе программного обеспечения цифровой распределенной системы управления Experion PKS.
В соответствии со структурной схемой для полной реализации автоматизируемых функций программное обеспечение включает в себя:
• программное обеспечение АРМ оператора «PlantCruise by Experion PKS»;
• программное обеспечение ПЛК «ControlEdge Builder»;
Информационный обмен между данными подсистемами обеспечивается с использованием сети Ethernet (протокол TCP/IP) и интерфейса OPC UA (OLE for Process Control Unified Architecture).
Необходимо использовать резервируемые сервера. Сервер B является полной копией сервера A. Сервера обмениваются информацией в режиме реального времени. АРМ1 будем использовать в качестве сервера A, а АРМ2 будет использоваться как сервер B. Архитектура серверов показана на рис. 2.
Сервер В
Сервер А
Клиентские станции (Station.exe)
Real Time DataBase(RTDB)
I
Station.exe
SQL Server
QuicKBuilder
Enterprise Model Builder
Рис. 2. Архитектура серверов
Real Time DataBase (RTDB) - база данных реального времени находится в оперативной памяти и занимает 1,5 Гб. Эта база осуществляет опрос контроллеров (каналы, контроллеры, точки); включает в себя историю, события, рапорты, системные настройки и т.д.
Оперативная память энергозависимая: когда пропадает питание, пропадают и данные из оперативной памяти. Поэтому нам необходимо сохранять данные на жестком диске. С этой задачей справляется SQL Server. SQL Server - база данных для хранения долгосрочной информации: события; каналы, контроллеры, точки; модель предприятия (Assets, группы тревог, до 5 серверов).
Для отображения информации необходимы дисплеи. Они бывают двух видов:
1) User,
2) System.
QuickBuilder осуществляет построение контроллеров, точек, станций операторов.
Enterprise Model Builder формирует Assets и настраивает управление между серверами (можно использовать до 5 серверов).
АРМ1 будем использовать в качестве сервера A, а АРМ2 - как сервер B. На каждом сервере необходимо настроить два сетевых адаптера. Далее необходимо будет настроить синхронизацию базы данных реального времени.
Запускаем сервер A, затем, когда запустим сервер B, сервер B будет знать, что он резервированный и будет искать в сети сервер A, чтобы тянуть с него данные. Сервер A будет ведущим сервером (Primary), а сервер B является ведомым сервером (Backup). Если отключить сервер A, то сервер B автоматически становится Primary.
Station.exe подключается только к Primary серверу. В Station.exe необходимо настроить 4 варианта подключения, как показано на рис. 3.
Алгоритмы управления разрабатываются в ControlEdge Builder фирмы Honeywell.
ControlEdge Builder - это программное обеспечение для конфигурирования ПЛК ControlEdge. В данном ПО выполняется компоновка, настройка, программирование и техобслуживание ПЛК. Редактор ControlEdge Builder соответствует всем требованиям стандарта IEC 61131-3 и поддерживает пять языков программирования [1].
Для загрузки/выгрузки точек в контроллер управлением (активацией точек) используется ControlEdge Builder. Для разработки мнемосхем используется пакет HMI Display Builder. Входные сигналы от датчиков поступают на входные модули системы управления и далее с помощью аппаратно-программных средств в единую базу данных системы Experion PKS.
Station.exe
Рис. 3. Последовательность подключения
В разрабатываемой системе используются входные аналоговые сигналы от технологических датчиков и преобразователей диапазона 4-20 мА, выходные - аналоговые сигналы управления регулирующих клапанов диапазона 4-20 мА, а также входные и выходные дискретные сигналы.
На рис. 4 представлены алгоритмы управления КСУ-1 при использовании ПЛК ControlEdge. Алгоритмы управления разрабатываются в ControlEdge Builder. Алгоритм измерения уровня и управления клапаном реализованы с помощью ПИД регулятора. Измеренное значение поступает на модуль AI, который передает значение в блок HWDACA, где преобразуется в инженерные единицы, в данном алгоритме в уровень жидкости КСУ-1 от 0 до 2,4 м. С выхода PVEU получаем масштабированный сигнал по уровню от 0 до 2,4 м, который и выводим на SCADA. С выхода PV сигнал уходит дальше на обработку в блок HWPID. Блок HWPID в зависимости от заданной уставки отправляет управляющий сигнал на блок HWAO. Блок HWAO уже отправляет значение аналогового выхода для отправки в канал аналогового вывода для управления клапаном. Алгоритмы измерения давления перед КСУ-1, давления в КСУ-1, температуры в КСУ-1, расхода после КСУ-1, положение клапана аналогичны измерению уровня в КСУ-1, рассмотренного выше, только без части управления. Алгоритм сигнализации и блокировки подачи водонефтяной эмульсии в КСУ по сра-
батыванию сигнализаторов уровня вибрационных по верхнему и нижнему критическому состоянию реализован стандартными блоками AND и TP. Если задвижка открыта и срабатывает сигнализатор уровня по верхнему значению блок AND отправляет сигнал на блок TP, который держит дискретный сигнал на закрытие клапана две секунды.
Рис. 4. Алгоритмы управления КСУ-1
Для разработки мнемосхем используется пакет HMI Display Builder. Разработанная мнемосхема представлена на рис. 5. Для удобства работы оператора с SCADA-системой мнемосхема была разработана по рекомендациям ГОСТ Р МЭК 60073-2000, ГОСТ 21.208-2013, ГОСТ 21480-76.
Целью создания стандартов является унификация операторского интерфейса для единообразного представления элементов управления, единого восприятия информации при выполнении операторских задач по мониторингу, управлению и диагностике для повышения эффективности и безопасности ведения технологического процесса.
Стандарты устанавливают основные положения по определению требований к конфигурации интерфейса человек-машина в области автоматизации технологических процессов на объектах добычи нефти и газа.
В ходе выполнения работы были рассмотрены проблемы эксплуатации программируемого логического контроллера, установленного на участке предварительной подготовки нефти «Павловка». Произведен сравнительный анализ архитектуры при использовании ПЛК SCADAPack 330 и ПЛК ControlEdge. Обоснован выбор ПЛК ControlEdge. Рассмотрена архитектура Honeywell Experion PKS.
Список литературы
1. Информационный бюллетень ControlEDGE [Электронный ресурс]. -URL: https://prosibir.pro/uploads/honeywell/Bulletin_ControlEdge_2.pdf (дата обращения: 25.10.2022).
2. Новый ПЛК Honeywell ControlEDGE PLC [Электронный ресурс]. -URL: http://honeywellprocess.blob.core.windows.net/public/Marketing/ presentations/22.09%20Thursday/ControlEDGE_PLC_Pakhomov_Dmitry.pdf (дата обращения: 25.10.2022).
3. Программируемый логический контроллер (ПЛК) Honeywell ControlEdge™ ControlEDGE [Электронный ресурс]. - URL: https://www.con-nect-wit.ru/programmiruemyj -logicheskij-kontroller-plk-honeywell-controledge.html (дата обращения: 25.10.2022).
4. Руководство пользователя ControlEdge Builder [Электронный ресурс]. - URL: https://gaselectro.ru/files/documents/controledge/controledge_ builder_users_guide_rtdoc-x283-en-151a.pdf (дата обращения: 25.10.2022).
5. SCADAPack 334 Hardware Manual [Электронный ресурс]. - URL: https://www.plcsystems.ru/catalog/SCADAPack/doc/SCADAPack334_Hardware_ Manual_nv.pdf (дата обращения: 25.10.2022).
6. Дунюшкин И.И. Сбор и подготовка скважинной продукции нефтяных месторождений: учеб. пособие / РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. -М.: Нефть и газ, 2006. - 320 с.
7. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: справ. пособие / А.С. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский, А.А. Клюев. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Альянс, 2015. - 464 с.
8. Клюев А.С. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 461 с.
9. Автоматическое управление в химической промышленности: учеб. для вузов / под ред. Е.Г. Дудникова. - М.: Химия, 1987. - 368 с.
10. Молчанов Г.В., Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа: учеб. для вузов. - М.: Недра, 1984. - 464 с.
11. Шидловский С.В. Автоматизация технологических процессов и производств. - М.: ТУСУР, 2005. - 100 с.
12. Целищев Е.С., Котлова А.В., Кудряшов И.С. Автоматизация проектирования технического обеспечения АСУТП: учеб. пособие. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 193 с.
13. Ротач В.Я. Теория автоматического управления: учеб. для вузов. -5-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд. дом МЭИ, 2008. - 394 с.
14. Резервирование ПЛК и устройств ввода-вывода [Электронный ресурс]. - URL: https://www.reallab.ru/bookasutp/8-apparatnoe-rezervirovanie/8-2-rezervirovanie-plk/ (дата обращения: 25.10.2022).
15. Типовая структура АСУ [Электронный ресурс]. - URL: https://vuzlit. ru/949196/ tipovaya_struktura (дата обращения: 25.10.2022).
References
1. Information bulletin ControlEDGE, available at: https://prosibir.pro/ up-loads/honeywell/Bulletin_ControlEdge_2.pdf (accessed 25 October 2022).
2. NEW PLC HONEYWELL ControlEDGE PLC, available at: http://ho-neywellprocess.blob.core.windows.net/public/Marketing/presentations/22.09%20T hursday/ControlEDGE_PLC_Pakhomov_Dmitry.pdf (accessed 25 October 2022).
3. Programmable Logic Controller (PLC) Honeywell ControlEdge™, available at: https://www.connect-wit.ru/programmiruemyj-logicheskij-kontroller-plk-honeywell-controledge.html (accessed 25 October 2022).
4. User's manual ControlEdge Builder, available at: https://gaselectro.ru/ files/documents/controledge/controledge_builder_users_guide_rtdoc-x283-en-151a.pdf (accessed 25 October 2022).
5. SCADAPack 334 Hardware Manual, available at: https://www.plcsys-tems.ru/catalog/SCADAPack/doc/SCADAPack334_Hardware_Manual_nv.pdf (accessed 25 October 2022).
6. Dunyushkin I.I., Sbor i podgotovka skvazhinnoj produkcii neftjanyh mestorozhdenij [Collection and preparation of well products from oil fields]. Moscow, Federalnoe Gosudarstvennoe Unitarnoe Predprijatie «Neft i gaz» Rossijskogo universiteta nefti i gaza im. I.M. Gubkina, 2006, 320p.
7. Kliuev A.S., Glazov B.V., Dubrovskii A.Kh., Kliuev A.A. Proektirovanie sistem avtomatizatsii tekhnologicheskikh protsessov [Designing automation systems for technological processes]. 2nd ed. Moscow, Al'ians, 2015, 464 p
8. Klyuev, A.S., Proektirovanie sistem avtomatizatsii tekhnologicheskikh protsessov [Design of automation systems for technological processes]. Moscow, Energoatomizdat, 1990, 461 p.
9. Dudnikov E.G., Avtomaticheskoe upravlenie v khimicheskoi promyshlen-nosti [Automatic control in the chemical industry]. Moscow, Chemistry, 1987, 368 p.
10. Molchanov G.V., Molchanov A.G. Mashiny i oborudovanie dlia dobychi nefti i gaza [Machinery and equipment for oil and gas production]. Moscow, Nedra, 1984, 464 p.
11. Shidlovsky S.V. Avtomatizatsiya tekhnologicheskikh protsessov i proizvodstv [Automation of technological processes and production]. Tomsk, Tomskiy gosudarstvennyy universitet sistem upravleniya i radioelektroniki, 2005, 100 p.
12. Tselishchev E. S., Kotlova A. V., Kudriashov I. S. Avtomatizatsiia proektirovaniia tekhnicheskogo obespecheniia ASUTP [Automation of the design of technical support for process control systems]. Moscow, Infra-Inzheneriia, 2019, 193 p.
13. Rotach V. Ia. Teoriia avtomaticheskogo upravleniia [Theory of automatic control]. 5nd ed. Moscow, Dom Moskovskiy energeticheskiy institut, 2008, 394 p.
14. Redundant PLC and I/O devices, available at: https://www.reallab.ru/ bookasutp/8-apparatnoe-rezervirovanie/8-2-rezervirovanie-plk/ (accessed 25 October 2022).
15. Typical structure of the automated control system, available at: //vuzlit.ru/949196/tipovaya_struktura (accessed 25 October 2022).
Об авторах
Яшманов Василий Степанович (Пермь, Россия) - студент магистратуры кафедры «Оборудование и автоматизация химических производств» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: [email protected]).
Вялых Илья Анатольевич (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Оборудование и автоматизация химических производств» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: [email protected]).
About the authors
Vasily S. Yashmanov (Perm, Russian Federation) - Student, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990; e-mail: [email protected]).
Ilya A. Vyalykh (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor, Department of Equipment and Automation of Chemical Pro-
duction Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990; e-mail: [email protected]).
Поступила: 28.10.2022
Одобрена: 15.11.2022
Принята к публикации: 15.12.2022
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов равноценен.
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Яшманов, В.С. Автоматизация концевой сепарационной установки на участке предварительной подготовки нефти «Павловка» / В.С. Яшманов, И.А. Вялых // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. - 2022. - № 4. - С. 139-150.
Please cite this article in English as:
Yashmanov V.S., Vyalykh I.A. Automation of the end separation installations in the site pre-treatment of oil "Pavlovka". Bulletin of PNRPU. Chemical Technology and Biotechnology, 2022, no. 4, pp. 139-150 (In Russ).
