Введение к работе
Актуальность темы. Возросшие требования к качеству управления технологическими процессами и объектами в различных отраслях промышленности диктуют необходимость широкого внедрения информационно-измерительных систем, в которых информация о контролируемых физических величинах получается с помощью первичных измерительных преобразователей. В плане развития нефтегазового комплекса автоматизация процессов сбора, подготовки и транспортировки нефти связана с совершенствованием средств измерительной техники и технологий. Такое направление развития объектов нефтепромысла позволяет повысить выпуск высококачественной нефтяной продукции при увеличении ее количественных показателей.
Проблема предварительной и полной очистки нефти зависит не только от совершенствования технологического оборудования установки подготовки нефти (УПН), но и от качества функционирования информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС), которая должна обладать высокими показателями точности, информативности и надежности. На УПН и узлах учета нефти широко используются датчики температуры, давления, расхода, влажности, плотности и других физических величин в системе дренирования многофазных сред (СДМС). Такие средства измерений функционируют в нормальных условиях исследуемой среды (до 80 оС) и реализуются на основе резистивных (РСД), индуктивных (ИСД) и емкостных (ЕСД) сопротивлений датчиков.
Условия исследований динамических уровней расслаиваемых многофазных нефтяных смесей в отстойном аппарате УПН характеризуются механическими воздействиями в виде вибраций при переключениях задвижек на входных и выходных коллекторах, а также агрессивностью исследуемой среды. При исследованиях высокотемпературных нефтяных смесей (от 80 оС до 100 оС и выше) в промежуточных стадиях подготовки нефти путем ее термообработки указанные условия значительно усугубляются.
Кроме того, высокие давления исследуемой среды (до 2,0-5,0 мПа и выше) обуславливают использование в многоканальных телеизмерительных системах (МТИС) одножильного бронированного кабеля в качестве линии связи (ЛС). Применение такого кабеля связано также с необходимостью выполнения им силовых функций во время протяжки приборов по высоте отстойного аппарата УПН.
В связи с этим датчики параметров дренирования должны обладать повышенной надежностью, устойчивостью к механическим воздействиям, термоустойчивостью, малопроводностью, малыми габаритными размерами конструкции приборов в передающей части МТИС, высокой информативностью и обеспечением инвариантности по отношению к влияющим факторам.
Известные датчики не отвечают комплексу вышеизложенных требований.
В области создания термостойких ИИУС наиболее перспективны резистивные, индуктивные и емкостные датчики, обеспечивающие преобразование одной из физических величин температуры, давления, вязкости или плотности среды в электрический сигнал.
Условия многофазности и многокомпонентности среды выдвигают требования по созданию датчиков на основе многофункциональных способов преобразования. Относительная погрешность преобразования известных датчиков в диапазоне от 100 оС и выше достигает 5-10 %. Все это обуславливает необходимость поиска новых методов построения датчиков с относительной погрешностью не более 1%, инвариантных к влиянию комплекса неинформативных факторов. В связи с этим задача теоретического исследования и разработки ИИУС с комплексом резистивных, индуктивных и емкостных датчиков является актуальной.
Цель работы:
Создание и исследование информационно-измерительной системы с улучшенными характеристиками (повышенными значениями надежности и информативности) для автоматизации контроля параметров дренирования многофазных сред на установках подготовки нефти.
Задачи:
1. Провести анализ существующих способов и средств измерения комплекса физических величин для оперативных исследований дренируемых параметров нефтяных смесей на УПН нефтепромысла и выработки управляющих воздействий при автоматизации его функционирования.
2. Разработать резистивные, индуктивные и емкостные датчики для ИИУС, обеспечивающие:
а) инвариантность по отношению к электрическим помехам в условиях реализации принципа многоканальности;
б) инвариантность по отношению к влияющим факторам окружающей среды, которые уточнены в новом методе исследований дренируемых параметров;
в) повышение надежности и термоустойчивости передающих частей ИИУС;
г) реализуемость метода многофункциональности измерений в составе МТИС с цифровым КС при использовании одножильного бронированного кабеля в качестве линии связи;
д) выполнение совмещенных режимов измерений, управлений и сигнализации.
3. Проанализировать детерминированные и вероятностные характеристики погрешности результата в измерительных каналах с разными типами датчиков, а также динамические погрешности при установившихся и переходных процессах в линиях связи ИИУС.
4. Выявить быстродействие и информативность действующего технологического процесса и системы.
5. Создать модули ИИУС в лабораторных условиях, провести их экспериментальные исследования с обеспечением гибкого сопряжения в общей структуре корпоративной системы.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе:
1. Систематизированы принципы построения ИИУС и дан их анализ, позволяющий создавать унифицированные модули с заданными свойствами и совмещенными режимами измерения, управления и сигнализации.
2. Разработан способ одновременного преобразования и приемо-передачи сигналов для разных датчиков в составе ИИУС, позволяющий повысить точность измерений параметров многофазных сред.
3. Развиты и обоснованы с позиций принципа инвариантности методы многофункционального и многоканального преобразования сигналов резистивных, индуктивных и емкостных датчиков, когда КП формируются изменением параметров двухполюсников и дополняются КП образцовых мер.
4. Предложены аналоговые и цифровые способы организации КП в ИИУС с двухпроводной ЛС, инвариантность которых достигается с введением КП образцовых мер при адресации и временной привязке первичных и промежуточных процессов преобразования.
5. Разработаны методики проектирования цифровых и аналоговых датчиков в составе интегрируемых модулей ИИУС, позволяющие повысить их надежность и информативность в системе дренирования многофазных сред.
6. Разработана системная модель процесса дренирования многофазных сред и принципы построения на ее основе многосвязных СДМС, определяющие структуру корпоративной системы нефтепромысла.
На защиту выносятся:
1. Систематизация принципов построения модульных структур ИИУС с разными способами одновременного измерения дренируемых параметров многофазных сред с использованием резистивных, индуктивных и емкостных датчиков.
2. Структуры МТИС с двухпроводной ЛС при разных способах комплексирования аналоговых и цифровых КП.
3. Исследования условий достижения инвариантности преобразования сигналов датчиков по отношению к влияющим факторам.
4. Методы повышения точности КП в ИИУС.
5. Реализация экспериментальных исследований и основ проектирования унифицированных модулей ИИУС в составе корпоративных систем.
Практическая ценность.
1. Разработаны принципиальные электрические схемы унифицированных модулей ИИУС, позволяющих реализовать в своем составе аналоговые и цифровые МТИС с двухпроводной ЛС.
2. Предложены оригинальные конструкции многофункциональных датчиков в составе МТИС с цифровым КС, имеющие повышенные значения точности, надежности и помехоустойчивости.
3. Разработана методика проектирования термостойких датчиков (до 300 оС) на основе резистивных, индуктивных и емкостных элементов.
4. Выявлена возможность обоснованного выбора числа датчиков на УПН, а также количества каналов МТИС.
5. Предложена схема интеграции модулей ИИУС в единую корпоративную систему для одновременной эксплуатации всех имеющихся объектов дренирования на нефтепромысле.
В процессе проведенных исследований и разработок получены патенты на изобретения. Основные результаты диссертационной работы в виде сравнительного анализа существующих средств измерения параметров СДМС, принципов построения ИИУС, основных рабочих характеристик, характеристик погрешностей и методики проектирования внедрены в ЦХМН УНЦ РАН (г. Уфа), а также в ООО «Теплый стан», (г. Уфа).
Принципы построения и методика проектирования ИИУС внедрены в учебный процесс при чтении лекций по различным дисциплинам, курсовом и дипломном проектировании в Уфимской государственной академии экономике и сервиса.
Методы исследования основаны на применении: теории электрических цепей и информационно-измерительных систем, методов математического моделирования, а также тестового и функционального контроля для систем управления и измерительной техники, теории дифференциальных уравнений и методов статистической обработки результатов измерений, теории погрешности и помехоустойчивости. При выполнении исследований широко использовались пакеты программных систем Statistika, Компас, MatLab, Sigma Plot и др.
Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докла-дывались и обсуждались на III Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование». (г. Томск, 2004 год); Всероссийской научно-методической конференции «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике». (г.Уфа, 2007 год); Международной научно-практической конференции «Химия и химическая технология, экология сервиса» (г. Уфа, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК, а также 1 патент и 3 положительных решения на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, и приложений. Основная часть диссертации изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 12 таблиц.
