CC BY
26УДК 681.518 +532.57
Р.Л. Барашкин, к.т.н., доцент кафедры автоматизации технологических процессов, РГУ нефти и газа имени
И.М. Губкина (Москва, Россия), e-mail: bamshkin.r@gubkin.ru; П.К. Калашников, к.т.н., доцент кафедры автоматизации
проектирования сооружений нефтяной и газовой промышленности, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина
(Москва, Россия), e-mail: kalashnikov_pk@bk.ru; В.Е. Попадько, к.т.н., профессор, заведующий кафедрой автоматизации
технологических процессов, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (Москва, Россия), e-mail: pve@gubkin.ru;
П.В. Пятибратов, к.т.н., доцент кафедры разработки и эксплуатации нефтяных месторождений, РГУ нефти и газа
имени И.М. Губкина, e-mail: pyatibratov.p@gmail.com
Компьютерный тренажерный комплекс процессов подготовки нефти и газа к транспорту
в настоящее время запасы все большего числа месторождений нефти и газа относятся к категории трудноизвле-каемых. при эксплуатации таких месторождений становится актуальной задача повышения энергоэффективности процессов добычи и подготовки продукции, в том числе за счет внедрения комплексных систем автоматизированного управления технологическими процессами (САу тп).
Современные системы автоматизации технологических процессов включают в свой состав сложную технику и технологии, что обуславливает высокие требования к качеству подготовки эксплуатирующего персонала. Мировая практика подготовки операционного персонала, в том числе в нефтегазовой отрасли, свидетельствует о высокой эффективности использования компьютерных тренажерных комплексов для формирования практических навыков управления технологическими процессами. в статье представлена структура разработанного тренажерного комплекса процессов подготовки нефти и газа к транспорту, приведены основные задачи и функциональные возможности. Рассматривается использование разработанного компьютерного тренажерного комплекса процессов подготовки нефти и газа к транспорту в рамках учебного процесса. Описываются возможности формирования преподавателем учебно-тренировочных задач по моделированию процессов пуска, смены режима, планового и аварийного останова процессов подготовки нефти и газа.
приведен пример использования интерфейса программы управления тренажером (пут), адаптированного под учебный процесс в высшем учебном заведении. в статье описаны особенности интерфейса пут, обеспечивающего интуитивно понятную последовательность работы с элементами тренажера и позволяющего формировать отчет о результатах выполнения учебно-тренировочных задач.
в заключение актуализируется состояние процесса адаптации тренажера под задачи обучающих курсов по подготовке нефти и газа к транспорту в Ргу нефти и газа имени И.М. губкина.
Ключевые слова: компьютерный тренажерный комплекс, автоматизированные системы управления технологическими процессами, установка подготовки нефти, установка комплексной подготовки газа, имитационная модель, операторский интерфейс, учебно-тренировочные задачи.
R.L. Barashkin, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia), PhD in technical sciences, assistant professor of chair of Automation of Industrial Processes, e-mail: barashkin.r@gubkin.ru; P.K. Kalashnikov, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia), PhD in technical sciences, assistant professor of chair of Computer Aided Design of Oil and Gas Industry Facilities, e-mail: kalashnikov_pk@bk.ru; V.E. Popadko, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia), PhD in technical sciences, professor, head of chair of Automation of Industrial Processes, e-mail: pve@gubkin.ru; P.V. Pyatybratov, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia), PhD in technical sciences, assistant professor of chair of oil field development, e-mail: pyatibratov.p@gmail.com
Oil and Gas Treatment Processes for Further Transportation Computer Simulator
Nowadays reserves of increasingly greater amount of oil and gas fields refer to category «hard-to-recover». During development of such fields problem of oil and gas production and treatment processes energy efficiency increase becomes urgent; among others due to implementation of complex automatic control of technological processes system.
АВТОМАТИЗАЦИЯ
Advanced systems of technological processes automation include engineering and technologies that stipulates high requirements for operating staff training. The world practice of operating staff training, which includes oil and gas industry, speaks for high efficiency of computer simulator usage for the purpose of practical skills of technological processes control formation. In the article the structure of developed Oil and Gas Treatment Processes for Further Transportation Computer Simulator is presented, major tasks and function capabilities are shown.
Usage of developed Oil and Gas Treatment Processes for Further Transportation Computer Simulator as a part of training process is considered. Capabilities of case-study tasks development by lecturer are described. Case-study tasks include modelling of processes of start-up, ordinary and emergency outage Oil and Gas Treatment Processes. An example of Program of Simulator Control interface that is adapted to the training processes in higher education institutes is provided. Features of Program of Simulator Control interface that provides intuitive sequence of operations with the elements of the Simulator and allowing to draw a report on case-study tasks execution are described in the article. In conclusion state of the process of Simulator adaptation for the tasks of oil and gas treatment processes training courses in Gubkin Russian State University of Oil and Gas is actualized.
Keywords: computer simulator, complex automatic control of technological processes systems, oil treatment unit, gas treatment unit, simulating model, operator interface, case-study tasks.
В нефтегазовой отрасли продолжается снижение рентабельности нефтегазовых проектов, связанное с тем, что запасы большой части месторождений относят сегодня к категории трудноизвлекаемых ввиду низкой проницаемости коллекторов, высокой вязкости нефти, высокой степени выработки извлекаемых запасов и, как следствие, высокой обводненности продукции и т.д. В таких условиях все больше внимания уделяется вопросам энергоэффективности и, в частности, эффективности управления технологическими процессами с точки зрения затрат энергии на единицу добываемой продукции. Это является одной из причин внедрения на предприятиях нефтегазовой отрасли комплексных автоматизированных систем управления технологическими процессами (ТП), обеспечивающих автоматизацию основных операций технологических процессов на производстве в целом или на отдельных его участках. В условиях повышения уровня автоматизации ТП, использования сложной техники и технологий растут требования к качеству подготовки эксплуатирующего персонала. Накопленный опыт преподавания дисциплин, включающих вопросы управления технологическими процессами, подтверждает высокую
эффективность обучения с использованием компьютерных тренажерных комплексов (КТК) по сравнению с традиционными практическими занятиями. КТК позволяют работать с моделью реального технологического процесса и отрабатывать практические навыки работы специалистов как в штатных, так и в нештатных ситуациях. В РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина успешно применяется эффективный подход, обеспечивающий быструю трансформацию теоретических знаний в практические навыки работы, основанный на внедрении в учебный процесс
Рис. 1. Структурная схема КТК
Fig. 1. Flow-chart of computer simulator complex
современных программно-аппаратных тренажерных комплексов. На базе созданных в Губкинском университете учебных центров, в том числе Центра управления разработкой месторождений (ЦУРМ), компьютерно-тренажерного центра «Виртуальный НПЗ», Центра диспетчерского управления режимами газотранспортных и газодобывающих комплексов, разработаны и внедрены такие тренажерные комплексы, как «Виртуальное месторождение», «Виртуальный нефтеперерабатывающий завод», «Виртуальная газотранспортная сеть» [1-3].
Ссылка для цитирования (for references):
Барашкин Р.Л., Калашников П.К., Попадько В.Е., Пятибратов П.В. Компьютерный тренажерный комплекс процессов подготовки нефти и газа к транспорту // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2015. - № 5. - С. 27-31.
Barashkin R.L., Kalashnikov P.K., Popadko V.E., Pyatybratov P.V. Komp'juternyj trenazhernyj kompleks processov podgotovki nefti i gaza k transportu [Oil and Gas Treatment Processes for Further Transportation Computer Simulator]. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 5. P. 27-31.
Рис. 3. Принципиальная схема УПН
Fig. 3. Circuit diagram of oil treatment system
ТЕ; Valve _ c Station Intel J-*®
I in« in *rom Valve
OutletLaw s,atl0n lntel
mio0tJ,iel
S2 - Valve Station inlet - Outlet Pipe
MS-Gas from
MelhanoJ injection Tee
DM -1
-07-ws
MS - Gas from Valve Station inlet Line lo Verrt Collector
VL-1 tgrt - о I - Collector G iniet 10
MS - Vafve Station Outlet Line
MS - vafce Sation
Oultet Line b
• MS -
VL Dram
-Д - Collector
09 - Intel 10
Рис. 4. Фрагмент схемы линии запорно-переключающей арматуры, разработанной с применением программного обеспечения UnisimDesignSuite
Fig. 4. Part of diagram of control and safety valves developed with the use of UnisimDesignSuite
В 2014-2015 гг. в РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина межкафедральным авторским коллективом создан компьютерный тренажерный комплекс (КТК) процессов подготовки нефти и газа к транспорту.
Основной целью создания тренажерного комплекса является предоставление обучающимся среды, позволяющей приобретать навыки,необходимые операторам систем подготовки нефти (УПН) и газа (УКПГ) к транспорту. Полученные навыки позволят операторам обеспечивать эффективную работу технологических процессов и предотвращать аварийные ситуации.
в соответствии с поставленной целью сформулированы основные функции тренажерного комплекса:
• моделирование технологических процессов подготовки нефти и газа к транспорту;
• моделирование пуска,смены режима, планового и аварийного останова процессов подготовки нефти и газа к транспорту;
• предоставление интерфейса управления технологическими процессами (ТП) подготовки нефти и газа к транспорту;
• оценка действий оператора. Тренажерный комплекс процессов подготовки нефти и газа к транспорту включает следующие основные структурные компоненты:
• имитационные динамические модели ТП, необходимые для изучения работы технологических объектов с базовой системой управления и позволяющие реализовывать учебно-тренировочные задачи (УТЗ) для подготовки персонала;
• операторский интерфейс, соответствующий реальному и позволяющий управлять ТП;
• программа управления тренажером (ПУТ), необходимая для осуществления запуска, контроля работоспособности, завершения работы компонентов КТК и оценки действий обучаемого;
• ОРС-сервер, обеспечивающий обмен значениями технологических параметров между моделями ТП, операторским интерфейсом и ПУТ;
• база данных MS SQL Server для хранения настроек ПУТ, учетных записей
Рис. 2. Принципиальная схема УКПГ
Fig. 2. Circuit diagram of gas treatment system
пользователей, моделей УТЗ, информации о прохождении УТЗ обучаемыми. Структурная схема КТК представлена на рисунке 1.
Динамические имитационные модели УКПГ и УПН разработаны с использова-
нием программного обеспечения Unisim Design Suite (UDS) компании Honeywell. В составе имитационной модели УКПГ (рис. 2) реализованы: входные коллекторы от кустов скважин; цех подготовки газа в составе пяти идентичных тех-
АВТОМАТИЗАЦИЯ
Рис. 5. Главное окно интерфейса оператора Fig. 5. Operator interface main screen
нологических линий (четыре рабочих и одна резервная), каждая из которых состоит из блока сепарации газа и блока абсорбционной осушки газа; цех регенерации абсорбента в составе двух идентичных технологических линий, из которых одна рабочая и одна резервная.
В составе имитационной модели УПН (рис. 3) реализованы: блок первой ступени сепарации; блок предварительного отстоя; блок нагрева нефти; блок горячей сепарации; блок основного
обезвоживания; концевая сепараци-онная установка; товарный парк; перекачивающая станция; узел учета нефти. В имитационных моделях также реализованы базовые системы автоматического управления технологическим процессом (САУ ТП), выполняющие функции автоматической стабилизации ТП и предоставляющие возможность ручного управления ТП обучаемым [4]. На рисунке 4 в качестве примера представлен фрагмент схемы линии запор-но-переключающей арматуры, разра-
ботанной с применением программного обеспечения Unisim Design Suite.
В РАМКАХ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА С ПОМОЩЬЮ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ТП РЕШАЮТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ЗАДАЧИ:
• воспроизведение характерных для реального объекта возмущений, управление объектом;
• отработка последовательности действий по переводу объекта с одного рабочего режима на другой;
• отработка последовательности действий по пуску и останову УКПГ и УПН;
• имитация возникновения аварийных ситуаций на объекте и отработка последовательности действий по их ликвидации.
Интерфейс оператора представляет собой интерактивную систему управления имитационными моделями УКПГ и УПН в составе тренажерного комплекса. Интерфейс оператора предназначен для отображения на автоматизированном рабочем месте (АРМ) обучаемого оперативной и архивной информации о технологических параметрах и оборудования, полученной из имитационных моделей, и осуществления функций общего управления имитационными моделями (рис. 5).
ИНТЕРФЕЙС ОПЕРАТОРА РЕАЛИЗУЕТ СЛЕДУЮЩИЕ ФУНКЦИИ:
• обобщенное и детальное представление на АРМ графических экранных форм с отображением состояния технологического оборудования и значений наиболее важных измеряемых технологических параметров;
• имитация дистанционного управления технологическим оборудованием;
• представление по запросу оператора трендов измеряемых значений технологических параметров;
• формирование предупредительной и аварийной сигнализации;
• автоматическое формирование системных и технологических сообщений, формирование архивного и оперативного журнала сообщений, вывод журнала сообщений на экранные формы;
• управление скоростью расчета имитационной модели УКПГ.
Рис. 6. Структурная схема взаимодействия ОРС-сервера с имитационной моделью, операторским интерфейсом и ПУТ
Fig. 6. Flow-chart of DNO server interaction with the simulation model, operator interface and simulator control program
30
№ 5 май 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
Рис. 7. Интерфейс программы управления тренажером (окно регистрации студентов, отчет о выполнении УТЗ, журнал преподавателя)
Fig. 7. Simulator control program interface (students' log window, training task completion report, trainer's log)
Для обмена данными между имитационной моделью, интерфейсом оператора и ПУТ разработан ОРС-сервер, основными функциями которого являются:
• взаимодействие с OPC-клиентами в соответствии со спецификацией протокола OPC DA 3.0;
• взаимодействие с имитационной моделью при помощи технологии OLE Automation;
• взаимодействие с человеком при помощи графического интерфейса. Схема взаимодействия ОРС-сервера с имитационной моделью,операторским интерфейсом и ПУТ представлена на рисунке 6. Запуск и управление ОРС-сер-вером осуществляются с помощью ПУТ. ПУТ включает две подпрограммы (студент, преподаватель), каждая из которых имеет разный уровень доступа к КТК.В основной функционал ПУТ входят: регистрация, выбор технологического объекта (УПН или УКПГ), контроль готовности компонентов КТК (OPC сервер, модель ТП, операторский интерфейс), запуск и завершение учебно-тренировочных задач (УТЗ), протоколирование событий технологического процесса и действий обучаемого, создание УТЗ, оценка действий обучаемого, формирование отчета по результатам обучения (рис. 7).
В ПУТ реализована возможность создания УТЗ, которые содержат эталонное
решение, заданное преподавателем и включающее последовательность выполняемых управляющих воздействий. Аттестация обучаемых проводится на основе сформированного для каждого УТЗ набора критериев с заданными весовыми коэффициентами. В настоящее время ведутся работы по тестированию тренажерного комплекса и формированию базового набора учеб-
но-тренировочных задач для внедрения в учебный процесс РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина в осеннем семестре 2015 г. При создании УТЗ особое внимание уделяется сценариям аварийных ситуаций, которые невозможно отработать на производстве. При этом операторам необходимо уметь предпринимать шаги по их локализации и дальнейшему устранению.
References:
1. Martynov V.G. et al. Cifrovoe mestorozhdenie v obrazovanii [Digital Field in the Education]. Neftjanoe khozjaistvo = Oil facility, 2011, No. 6. P. 124-126.
2. Martynov V.G., Pyatybratov P.V., Sheynbaum V.S. Razvitie innovacionnoj obrazovatel'noj tehnologii obuchenija studentov v virtual'noj srede professional'noj dejatel'nosti [Innovative Education Technology in Virtual Media of Professional Activities Development]. Vysshee obrazovanie segodnja = Higher Education Today, 2012, No. 5. P. 4-8.
3. Sardanashvily S.A., Shvechkov V.A. Postroenie lokal'nyh i raspredelennyh trenazhernyh kompleksov dlja proizvodstvenno-dispetcherskih sluzhb gazotransportnyh obshhestv [Development of Local and Suballocated Simulators for Operations Control Centres of Gas Pipeline Companies]. Trudy RGU nefti i gaza imeni I.M. Gubkina = Proceedings of Gubkin Russian State University of Oil and Gas, 2009, No. 1. P. 172-182.
4. Popadko V.E. et al. Imitacionnyj stend dlja testirovanija algoritmov upravlenija ob#ektov neftegazovoj otrasli [Simulation Stand for Testing of Algorithms of Objects Control in Oil and Gas Industry]: Engineer's Handbook. Intellektual'nyesistemy izmerenij, kontrolja, upravlenija idispetcherizacii v promyshlennosti = Intellectual systems of measurement, control, management and supervisory control in industry, 2014, No. 5. P. 31-36.
Литература:
1. Мартынов В.Г. и др. Цифровое месторождение в образовании // Нефтяное хозяйство. - 2011. - № 6. - С. 124-126.
2. Мартынов В.Г., Пятибратов П.В., Шейнбаум В.С. Развитие инновационной образовательной технологии обучения студентов в виртуальной среде профессиональной деятельности // Высшее образование сегодня. - 2012. - № 5. - С. 4-8.
3. Сарданашвили С.А., Швечков В.А. Построение локальных и распределенных тренажерных комплексов для производственно-диспетчерских служб газотранспортных обществ // Труды РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. - 2009. - № 1. - С. 172-182.
4. Попадько В.Е. и др. Имитационный стенд для тестирования алгоритмов управления объектов нефтегазовой отрасли: Справочник инженера // Интеллектуальные системы измерений, контроля, управления и диспетчеризации в промышленности. - 2014. - № 5. - С. 31-36.
