2.2 Структура и состав разработанного программно-аппаратного комплекса

Архитектура разработанного программно-аппаратного комплекса базируется на промышленных стандартах открытых систем и обеспечивает возможность его поэтапного развития и модернизации в течение всего жизненного цикла. Созданная система дистанционного контроля параметров скважины предусматривает возможность расширения и подключения дополнительных объектов и новых скважин. Разработанная структурная схема АСУ УКПГ представлена на рисунке 3

Рисунок 3 - Схема АСУ УКПГ

Энергоснабжение шкафов контроля локальных контроллеров ряда скважин выполнено с использованием солнечных батарей RAD-SOL-SET-24-200IF фирмы Phoenix Contact. С целью уменьшения потребляемой мощности предусматривается применение датчиков давления Emerson 2051T-G с пониженным энергопотреблением и выходным сигналом в диапазоне 1-5 В. Остальные шкафы контроля системы питаются от стационарной сети электроснабжения с напряжением 220 В и частотой 50 Гц. [6]

Корпус шкафа контроля с целью теплоизоляции и предотвращения образования конденсата изнутри покрыт сверхтонкой жидкой теплоизоляцией TSM Ceramic, отличающейся низкой теплопроводностью - не более 0,001 Вт/(м·°С). Номинальная мощность стандартной системы питания фирмы Phoenix Contact RAD-SOL-SET-24-200IF на солнечных батареях составляет 200 Вт. При использовании двух дополнительных солнечных панелей по 50 Вт мощность может быть увеличена до 300 Вт. Для обеспечения бесперебойной работы шкафов контроля использованы аккумуляторы с номинальной ёмкостью 100 А·ч. Такая ёмкость аккумуляторов обеспечивает бесперебойную работу шкафа контроля в течение примерно пяти дней без прямого потребления солнечной энергии. Аккумуляторы упакованы в контейнер со степенью защиты IP67 и закопаны в землю на глубину 1 м (среднегодовая температура внешней среды +5°С).

При выборе контроллера упор был сделан на низкую потребляемую мощность, что особенно важно при питании от солнечных батарей, и на возможности беспроводной коммуникации.

Данные о параметрах технологического процесса, условиях работы, а также сообщения об отказе каких-либо устройств в центр управления могут быть переданы посредством SMS, GSM-модема или через GPRS-соединение (General Packet Radio Service), которое хорошо подходит для задач удалённого управления. Преимуществами выбора GPRS при решении задачи удалённого управления являются хорошее покрытие сети и низкие капитальные затраты по сравнению с другими методами передачи данных. Теоретическая скорость передачи данных 171,2 кбит/c. Однако на практике число доступных тайм-слотов в кадре ограничивается техническими возможностями мобильной станции и мобильных сетей связи. Максимальная скорость передачи данных, которая может быть достигнута на практике, составляет 53,6 кбит/с. [6]

С помощью программного пакета PC WORX устанавливается соединение GPRS_CONNECT с контроллером ILC 150 GSM/GPRS. Для связи через это соединение используются TCP/IP блоки. При этом передача данных производится по протоколу TCP/IP. Модем PSI-GPRS/GSM-MODEM обеспечивает связь по протоколам GSM/GPRS и поддерживает четыре диапазона частот: 850, 900, 1800 или 1900 MГц. Для подключения антенны предусмотрено антенное гнездо SMA 50 Ом. PIN-код сохраняется в модеме. Имеется встроенный стек протоколов TCP/IP, а также функция самостоятельного восстановления соединения. Модем рассчитан на использование обычной SIM-карты. Периодичность сбора данных (опрос датчиков с ведением архивов) не менее 1 раза в минуту, а периодичность передачи данных - не реже 1 раза в 5 минут с возможностью изменения периодичности дискретно (10 с, 1, 5, 15 мин) при возникновении аварийных ситуаций (выход за пределы аварийных уставок, изменение положения задвижек и т.д.). При разрыве связи контроллер накапливает данные в энергонезависимой памяти. При возобновлении связи непрочитанные данные начинают передаваться на пульт управления оператора. Считывание архивных данных, хранящихся в энергонезависимой памяти контроллеров ILC 150 GSM/GPRS (в случае возобновления связи после её утраты), проводится с помощью программного пакета WinCC ODK v7.0 (Open Development Kit), который представляет собой набор функций на языке С и С++. В архивных данных есть метка времени, по которой данные записываются в существующие архивы WinCC с соответствующей датой и временем. Объём данных, хранящихся в энергонезависимой памяти контроллеров сбора информации, соответствует периоду работы скважины не менее трёх суток. Стоимость передачи данных по каналу GPRS зависит прежде всего от объёма данных, а также от частоты запросов. С целью уменьшения стоимости передачи данных запросы генерируются с помощью специально разработанного драйвера (WELLs), написанного на языке PureBasic. Технологические параметры устья скважин измеряются первичными преобразователями и поступают в контроллер, расположенный в непосредственной близости от датчиков. Контроллер обрабатывает полученную информацию и через встроенный модем передаёт её в операторную УКПГ через GPRS- соединение. Датчики подключены кабелями к соответствующему шкафу контроля, в котором находится локальный программируемый контроллер ILC 150 GSM/ GPRS. Он обрабатывает полученную от датчиков технологическую информацию и с периодичностью 1 раз в 5 минут передает её с помощью встроенного модема GSM/GPRS через сеть мобильной связи на АРМ оператора скважин в помещении операторной УКПГ.

Питание датчиков осуществляется от модулей питания 701PBKKF фирмы Emerson, срок службы которых 10 лет (при периоде опроса 1 мин). Для организации беспроводной передачи данных от скважин в шкафу контроля ШК59 установлен беспроводной шлюз, который обеспечивает связь самоорганизующихся сетей WirelessHART с любой операционной системой. При этом обеспечивается:

- Простота интеграции в существующие системы управления и обработки данных с использованием последовательных и Ethernet-коммуникаций;

- Интеграция шлюза в существующие хост-системы с использованием стандартных промышленных протоколов, включая OPC, Modbus TCP/IP и Modbus RTU.

- Надёжность передачи информации выше 99% с подтверждённым уровнем промышленной безопасности. Для организации беспроводной связи используются:

- Стандарт IEEE 802.15.4;

- Диапазон частот IMS 2,4 ГГц, разделённый на 15 радиоканалов;

- Синхронизированные по времени переключения каналов во избежание помех от радиомодулей, Wi-Fi и источников EMC, а также для повышения надёжности.

Беспроводной шлюз обеспечивает надёжную защиту данных, облегчает интегрирование с системой верхнего уровня без использования дополнительного программного обеспечения, а также непрерывно оптимизирует производительность сети для получения максимальной достоверности данных и увеличения времени работы беспроводных устройств от модулей питания.

Конфигурирование беспроводной сети осуществляется с помощью web-страницы шлюза. Технологические параметры, полученные по беспроводной сети, хранятся в шлюзе в ModBus-регистрах, адреса которых установлены при конфигурации беспроводного шлюза, который по локальному интерфейсу Ethernet соединён с контроллером. По этой сети с помощью программного пакета PC WORX, используя библиотечные блоки, организуется обмен данными между шлюзом и контроллером. Весь аппаратно-программный комплекс интегрирован в систему управления SIMATIC PCS7. Операторская станция выполнена на базе персонального промышленного компьютера с соответствующим программным обеспечением (WinCC фирмы Siemens) для обработки, архивации и визуализации полученной информации. В операторной УКПГ размещается операторская станция (OS), на которую поступает информация от контроллеров через внешний модем (PSI-GPRS/ GSM-MODEM), соединённый с OS по интерфейсу Ethernet. Модем по запросу операторской станции принимает информацию от локальных контроллеров скважин по GPRS-каналу (протокол TCP/IP) и выводит эту информацию на экран монитора. Прикладное ПО операторской станции обеспечивает:

- Сбор текущих данных;

- Считывание архивных данных;

- Долговременную архивацию данных на ПК (свыше 1 года);

- Отображение текущих и архивных данных в виде графиков и таблиц на основании свободно формируемых списков;

- Формирование отчётов;

- Экспорт данных в формате Microsoft Excel;

- Генерацию сообщений;

- Администрирование уровней доступа;

- Связь с другими системами.

Проект визуализации разработан с использованием программы WinCC v.7.0 из пакета SIMATIC PCS7 фирмы Siemens. Этот же пакет используется и для визуализации и управления всей установки УКПГ. Для связи с аппаратурой фирмы Siemens используется драйвер SIMATIC S7 Protocol SuiteNamed ConnectionsS7 Connection fault-tolerant, а для связи с аппаратурой Phoenix Contact - драйвер Modbus TCP/IP.

Проект системы дистанционного контроля работы скважин и его внедрение выполнены согласно «Правилам безопасности в нефтегазовой промышленности Украины», которые требуют минимизировать пребывание обслуживающего персонала возле устья скважины. Дистанционный мониторинг давлений в трубном, затрубном и межтрубном пространствах и температуры в боковых отводах обеспечивает высокую оперативность контроля за состоянием этих параметров непосредственно на пункте управления УКПГ. Это позволяет как обеспечить оптимальные режимы работы скважины, так и уменьшить риски возникновения аварийных ситуаций на них. [6]

При использовании системы управления технологическими процессами SIMATIC PCS7 достаточно легко удаётся внедрить в эту систему средства автоматизации других фирм. При этом разработанная система отличается хорошими технико-экономическими показателями.