CC BY
12КООРДИНИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ (НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ)
УДК 519.711.3:622.276
А.П. Веревкин, д.т.н., Уфимский государственный нефтяной технический университет (Уфа, Башкортостан, РФ), apverevkin@mail.ru
О.В. Кирюшин, к.т.н., Уфимский государственный нефтяной технический университет (Уфа, Башкортостан, РФ), kirov9562@mail.ru
В статье описан метод формирования систем управления и обеспечения безопасности территориально распределенных технологических объектов нефте- и газодобычи. В основу метода положены идеи иерархического построения систем управления, когда каждый из агрегатов или узлов единого технологического комплекса управляется с помощью отдельных логических управляющих устройств (локальных субавтоматов), а координация работы локальных субавтоматов осуществляется координирующим субавтоматом конечно-автоматного типа. Рассмотрены вопросы моделирования систем управления с помощью сетей Петри, декомпозиции сложных сетей на подсети, каждой из которых ставится в соответствие субавтомат. Приведен пример успешного использования предлагаемого метода для управления системой поддержания пластового давления.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ, СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, КОНЕЧНЫЕ АВТОМАТЫ, КООРДИНАЦИЯ АВТОМАТОВ, ДИСКРЕТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ, ПЛАСТОВОЕ ДАВЛЕНИЕ.
Verevkin A.P., Ph.D., Ufa State Petroleum Technical University (Ufa, RF), apverevkin@mail.ru Kiryushin O.V., associate professor, Ufa State Petroleum Technical University (Ufa, RF), kirov9562@mail.ru
Coordinated control of technological objects (on example in the reservoir pressure maintain system)
The article describes the method of the control systems and safety formation for geographically distributed oil and gas production technological objects. The method is based on the ideas of constructing a hierarchical management system, when each of the units or nodes of a single technological complex is controlled by a separate logic control devices (local automatic machine), and coordination of the local coordinating automatic machine performed finite-state type. The control systems simulation is carried out using Petri nets, decomposition of complex networks into subnets, each of which is associated with local automatic machine. Reservoir pressure maintenance system proposed as example of the successful management method.
KEY WORDS: GEOGRAPHICALLY DISTRIBUTED PROCESSING FACILITIES, CONTROL SYSTEMS, FINITE STATE MACHINES, COORDINATE MACHINES, DIGITAL CONTROL, RESERVOIR PRESSURE.
Технологические объекты добычи нефти, газа и газового конденсата характеризуются тем, что они территориально распределены. Технологические узлы и агрегаты вместе с системами управления и обеспечения безопасности, входящие в один производственный комплекс, могут находиться на расстоянии нескольких километров друг от друга. Централизованное управление работой такого производственного комплекса, в котором число исполнительных устройств может составлять десятки и сотни единиц, технически и экономически не оправданно. Поэтомууправление территориально удаленными установками, как правило, производится автономными управляющими подсистемами, а координация их работы - вручную с использованием различных средств связи. При этом возникают ситуации, когда из-за запаздываний и ошибок в принятии решений операторы не справляются с задачами управления, что приводит к возникновению аварийных инцидентов и событий.
Например, система поддержания пластового давления (ППД) включает насосное оборудование вододобывающих артезианских скважин или других источников воды, сепараторы для дегазации воды (булиты), сепараторы установок подготов-
ки газа, нефти, агрегаты высокого давления (АВД) для закачки воды в пласт, магистрали и трубопроводную арматуру. Управление насосным оборудованием, сепараторами, кранами, задвижками и т. д. осуществляется из автономных операторных.
Несмотря на то что рассматриваемый в примере технологический процесс является наиболее распространенным и эффективным средством управления нефте- и газоотдачей пластов, задача автоматизации такой системы и координации
работы объектов до конца не решена вследствие распределенности ее структуры, большого количества неизмеряемых параметров, по которым должно проводиться управление, необходимости учета большого числа технологических ограничений и т. д. [1].
Вопросам координации работы управляющих устройств для целей повышения эффективности и безопасности производства посвящены работы [1-5].
В целом данное направление развития автоматизированных технологических комплексов соответствует актуальной задаче интеллектуализации систем управления и обеспечения безопасности [6-8].
В данной работе предлагается подход к построению и метод алгоритмизации координированного управления аппаратами и узлами технологических процессов. Модель системы управления оформляется в виде сетей Петри с последующей декомпозицией
ее на подсети, каждой из которых ставится в соответствие автомат конечно-автоматного вида.
В соответствии с изложенной концепцией задачи управления могут быть разделены на два уровня. Задачи верхнего уровня:
• стабилизация режимов закачки воды в пласт при наличии возмущений со стороны пласта, напряжения питания электродвигателей, изменения характеристик АВД;
• стабилизация режимов работы системы ППД при наличии возмущений со стороны пласта по количеству жидкостей, поступающих с установки подготовки газа (УПГ) или нефти (УПН);
• обеспечение безаварийного включения/выключения АВД, т. е. обеспечение реализации управлений по числу включенных в работу АВД.
К задачам нижнего уровня относятся задачи поддержания технологических параметров: уровней в сепараторах, давления газовой подушки в сепараторах,
уровня в резервуарах УПГ или УПН, давления на входе АВД.
Необходимо при этом учитывать ограничения на число операций включения/отключения всех насосов, используемых в технологическом процессе.
При разработке более совершенной системы управления в качестве управляющих воздействий на объект рассматривались:
• управление работой дискретного клапана - сброс газа из сепараторов (поддержание давления в сепараторах косвенно влияет на давление на входах АВД и расход жидкости с УПГ или УПН);
• включение/выключение насосов артезианских скважин и изменение производительности некоторых из них за счет использования частотно-регулируемого привода (регулирование подачи от скважин позволяет поддерживать уровень и давление в сепараторах);
• включение/выключение насосов откачки жидкости с УПГ
или УПН, что позволяет регулировать уровень в сепараторах, давление на входах АВД и подачу жидкости из сепараторов.
Сложность разработки алгоритмов управления обусловлена особенностями системы ППД как объекта управления:
• сильной взаимосвязью управляемых параметров как между собой, так и с управляющими параметрами, что не позволяет выделить для каждого управляемого параметра собственный (главный) управляющий параметр;
• наличием жестких ограничений на отдельные технологические параметры; в частности, если не обеспечивается давление жидкости на входе АВД, работа последних должна блокироваться. По аналогичным причинам должна блокироваться работа насосов откачки жидкости с УПГ или УПН при понижении уровня в резервуарах ниже допустимого значения. Работа АВД должна блокироваться также по мини-
мально допустимым уровням в сепараторах и в резервуарах;
• число управляющих параметров меньше числа управляемых параметров.
Алгоритмы управления такими объектами зачастую описываются в виде набора правил, большинство которых изложены в терминах дискретного управления. Для реализации алгоритмов управления на базе промышленных контроллеров необходима их интерпретация в виде логических выражений конечно-автоматного вида. Для этого предложен метод формирования логических выражений, адекватных исходным правилам, включающий алгоритмы разрешения конфликтов и выявления тупиковых ситуаций, основанные на промежуточном представлении наборов правил в виде сетей Петри [3]. Метод реализуется путем выполнения следующих шагов.
Шаг 1. Подготовка правил. В исходном наборе правил (про-
дукционной системе) возможно использование лингвистических высказываний и нечетких переменных. На этом шаге необходима их замена четкими переменными, а возвращение к нечетким переменным с их последующей фаззификацией будет производиться на шаге 5.
Шаг 2. Обобщение правил. Проводится сокращение числа правил путем объединения правил, имеющих одинаковые консеквенты.
Шаг 3. Представление набора правил в виде сетей Петри. Поскольку для данного класса сетей разработаны алгоритмизированные (формализованные) методы определения их свойств, анализ набора правил сводится к более простым и надежным процедурам анализа сетей Петри (определения живости, безопасности и др.). Далее сложные сети, как правило, декомпозируются на подсети с целью синтеза конечных автоматов для управления отдель-
ными агрегатами известными методами.
Шаг 4. Синтез логических выражений для переменных состояния. Свойства полученных подсетей обычно определяются путем построения графа достижимости определения количества состояний, в которых может находиться каждая подсеть. Для кодирования состояний вводятся промежуточные логические переменные состояния. Предлагается синтезировать логические выражения для переменных состояния с помощью укрупненных таблиц состояний, описанных в [2].
Шаг 5. Синтез логических выражений для управляющих воздействий. На заключительном шаге записываются логические выражения для управляющих воздействий. В целях более адекватного формирования интенсивности управлений для текущих технологических ситуаций возможно проведение фаззификации входных и промежуточных переменных и
замена булевских функций на нечеткие логические расширения с последующей дефаззифи-кацией нечетких управляющих переменных.
В результате применения методики формируется автоматная модель, адекватная исходной системе правил управления и легко реализуемая в большинстве логических контроллеров.
Субавтоматы управления агрегатами реализуются на отдельных контроллерах и могут работать независимо друг от друга, решая задачи нижнего уровня. В рассматриваемом примере это:
• автоматуправления давлением газа и уровнем в сепараторах (А1);
• автомат поддержания режимов работы АВД (А2);
• автомат поддержания уровня в резервуарах и сепараторах (А3);
• автомат управления артезианскими скважинами (А4);
• координирующий автомат (КА).
Для решения задач верхнего уровня координирующий
Рис. 1. Схема взаимодействия автоматов
автомат генерирует управляющие дискретные сигналы К (/ = 1,2, ..., п, п - число сигналов) пуска и останова работы субавтоматов (например, запуск субавтомата, команды на включение или выключение насоса или АВД, открытие/закрытие крана и т. д.) на основе информации о ситуации, включая ответные сигналы Б/ от субавтоматов (/ = 1, 2, ..., т, т- число субавтоматов). В качестве Б/ могут быть сигналы об окончании выполнения технологической операции, о выполненных или не выполненных до конца командах на перестановку положения исполнительных устройств.
Схема взаимодействия автоматов изображена на рис. 1. Сеть Петри для координирующего автомата имеет вид, представленный на рис. 2, где каждому переходу поставлена в соответствие секция правил.
Для оценки эффективности разработанных алгоритмов на имитационной модели проведены сравнительные эксперименты с существующей и синтезированной системами управления, которые показали, что синтезированная система отрабатывает возмущения со стороны АВД и УПН заявленной интенсивности, обеспечивает меньшую амплитуду колебаний уровней в сепараторах при минимальном количестве включений/выключений насосов. На рис. 3 приведены графики изменения давлений на входах каждого (в примере -из четырех) АВД при отсутствии разработанной системы управ-
Рис. 2. Сеть Петри для КА
ления, на рис. 4 - при автоматической отработке алгоритма управления при тех же условиях эксперимента. Видно, что даже при возникновении значительных возмущений по расходу (около 500 м3/ч) система управления как по уровням в сепараторах, так и по давлениям успешно его парирует, поддерживая параметры в заданных пределах.
В ходе работы алгоритм управления поддерживает величину давления на всасе АВД не ниже 1,0 атм при любых допустимых изменениях расхода на АВД.
Таким образом, проверка работоспособности системы координированного управления на имитационной модели показала, что разработанный алгоритм управления обеспечивает высокое качество управления при решении задач как нижнего, так и верхнего уровня. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Веревкин А.П., Кирюшин О.В. Управление системой поддержания пластового давления с использованием моделей конечно-автоматного вида // Территория «НЕФТЕГАЗ». - № 10. - 2008. - С. 14-19.
2. Веревкин А.П., Кирюшин О.В. Разработка логических алгоритмов для целей реализации на микроконтроллерах // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2001. - № 11. - С. 5-8.
3. Веревкин А.П., Кирюшин О.В., Ельцов И.Д. Вопросы управления блочными сепараторами типа Maloney // Территория «НЕФТЕГАЗ». -№ 12. - 2009. - С. 16-19.
4. Веревкин А.П., Никифоров А.А. О структуре распределенной информационно-управляющей системы процесса бурения // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2012.- № 11. - С. 12-14.
5. Веревкин А.П., Кирюшин О.В., Соловьев В.Я. Разработка алгоритмов управления технологическим оборудованием поддержания пластового давления // Мат-лы 3-го Конгресса нефтегазопромышленников России. Секция автоматизации произв. процессов. - Уфа: Изд. УГНТУ, 2001. - С. 47-50.
6. Веревкин А.П., Кирюшин О.В., Соловьев В.Я. Разработка моделей и процедур принятия решений на управление процессами закачки воды на нефтяном месторождении // Мат-лы 3-го Конгресса нефтегазопромышленников России. Секция автоматизации произв. процессов. - Уфа: Изд. УГНТУ, 2001. - С. 150.
7. Веревкин А.П., Зозуля Ю.И. Основные направления развития автоматизации управления добычей и транспортом нефти // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2005. - № 3. - С. 6-13.
8. Веревкин А.П., Ельцов И.Д., Зозуля Ю.И., Кирюшин О.В. Интеллектуализация управления системой поддержания пластового давления // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2007. - № 4. - С. 48-53.
REFERENCES
1. Verevkin A.P., Kiryushin O.V. Management of the Reservoir Pressure Maintenance System with the Use of Finite-State-Machine Models // Neftegaz Territory. - No. 10. - 2008. - P. 14-19.
2. Verevkin A.P., Kiryushin O.V. Development of Logical Algorithms for their Implementation in Microcontrollers // Devices and Systems. Management, Control, Diagnostics. - 2001. - No. 11. - P. 5-8.
3. Verevkin A.P., Kiryushin O.V., Eltsov I.D. Management Matters Regarding Maloney Block Separators // Neftegaz Territory. - No. 12. - 2009. -P. 16-19.
4. Verevkin A.P., Nikiforov A.A. On the Structure of the Drilling Information and Management Distributed System // Neftegaz Territory. - 2012. -No. 11. - P. 12-14.
5. Verevkin A.P., Kiryushin O.V., Solovyev V.Ya. Development of Management Algorithms Regarding Reservoir Pressure Maintenance Equipment // Materials of the 3rd Congress of Oil and Gas Producers of Russia. Production Process Automation Section. - Ufa: Published by Ufa State Petroleum Technological University, 2001. - P. 47-50.
6. Verevkin A.P., Kiryushin O.V., Solovyev V.Ya. Development of Models and Procedures for Adopting Decisions on How to Manage Water Injection Processes in an Oil Field // Materials of the 3rd Congress of Oil and Gas Producers of Russia. Production Process Automation Section. - Ufa: Published by Ufa State Petroleum Technological University, 2001. - P. 150.
7. Verevkin A.P., Zozulya Yu.I. Principal Directions for the Development of Oil Recovery and Transport Management Automation // Automation, Teleautomation and Communication in the Oil Industry. - 2005. - No. 3. - P. 6-13.
8. Verevkin A.P., Eltsov I.D., Zozulya Yu.I., Kiryushin O.V. Intellectualization of the Reservoir Pressure Maintenance Management // Automation, Teleautomation and Communication in the Oil Industry. - 2007. - No. 4. - P. 48-53.
