Средства очистки и диагностики магистральных нефтепроводов трубопроводной системы Восточная Сибирь - Тихий океан

- текстовые светодиодные индикаторы, показывающие состояние процессора и коммуникационных портов;

- поддержка математического сопроцессора.

Контроллеры Quantum поддерживают создание систем контроля и управления с гибкой архитектурой путём комбинации локальных, удалённых и распределённых систем сбора ввода/вывода. ПЛК поддерживает до 2048 аналоговых вводов/выводов и до 8192 - дискретных. Для всех узлов ввода/вывода используются идентичные шасси, что существенно повышает унификацию оборудования и уменьшает парк запчастей [17].

4.4.1 Удалённый ввод/вывод (RIO - Remote Input/Output)

Архитектура с удалённым вводом/выводом предлагается для решения задач управления с большим количеством сигналов и удалённо расположенными объектами управления. Реализуется с помощью модулей расширения RIO Head (головной модуль, устанавливаемый на основной контроллер) и RIO Drop (модуль, устанавливаемый на удалённом шасси).

Узлы удалённого ввода/вывода обслуживаются синхронно с циклом процессора. Таким образом, обеспечивается быстрое и детерминированное управление процессом из прикладной программы процессора, а также возможность безударного перехода на резервный контроллер и, следовательно, безопасность процесса.

Достоинства сети RIO:

- удалённые шасси приближены к датчикам объекта управления, что сокращает длину аналоговых линий связи;

- увеличенное количество подключаемых датчиков и исполнительных механизмов по сравнению с локальным вводом/выводом.

Недостатки:

- продолжительный цикл опроса всех узлов в сети;

- поддерживается одновременное функционирование только одной сети.

4.4.2 Распределённый ввод/вывод (DIO - Distributed Input/Output)

Для приложений, требующих подключения небольшого количества сигналов ввода/вывода на многих площадках, используется архитектура распределённого ввода/вывода. Поскольку каждый процессор Quantum имеет встроенный порт Modbus Plus, установка дополнительного головного сетевого модуля не требуется [18]. Отличия от RIO заключаются в организации передачи данных внутри сети. Сравнительные характеристики сетей DIO и RIO приведены в таблице 3.1.

Таблица 4.1 - Сравнительные характеристики сетей DIO и RIO

Параметр	RIO	DIO
Тип кабеля	Коаксиальный	Витая пара
Скорость передачи данных, МБит/с	1,5	1,0
Синхронизация обработки с программой	Да	Нет
Поддержка горячего резервирования	Да	Нет
Совместимость с Modbus Plus	Нет	Да
Максимальное количество узлов в одной сети	31	63
Максимальное количество слотов ввода/вывода в одной сети	1984/1984	500/500
Максимальное количество дискретных сигналов в одной сети	31744/31744	8000/8000
Максимальное количество аналоговых сигналов в одной сети	1984/1984	500/500
Максимальное количество на один контроллер	1	3

Типовые функции сети на основе протокола Modbus Plus:

- распределённое управление и блокировки;

- сбор данных;

- удалённое программирование в режиме online;

- загрузка и выгрузка программ;

- подключение интерфейсов оператора [19].

Программирование контроллеров Quantum осуществляется в системе Concept с использованием языков программирования стандарта IEC61131-3.

Concept - приложение для ОС Windows, предоставляющее единую многоязыковую среду для программирования систем управления (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 - Окно симуляции выполнения программы на языке FBD системы Concept

Конфигурирование ПЛК в системе Concept включает в себя все специфические аппаратные ресурсы контроллера: состав и тип модулей, распределение ПЗУ и ОЗУ контроллера, диапазоны регистров ввода/вывода для каждого модуля ввода/вывода.

Все модули ввода/вывода программно адресуются и включаются в карту ввода/вывода при помощи системы Concept. Параметризация модулей также осуществляется программно при заполнении карты ввода/вывода. Таким образом, при конфигурации системы устраняется необходимость в использовании аппаратных переключателей или какого-либо программирования. После того, как модуль сконфигурирован, системное ПО может обнаруживать его отсутствие или неисправность и сигнализировать об этом при помощи светодиодных индикаторов.

Язык программирования выбирается с учётом поставленных задач и требований к программе. Стандартом предусмотрены языки FBD (Functional Block Diagram), LD (Ladder Diagram), IL (Instruction List), ST (Structured Text), SFC (Sequentional Function Chart).

Перед компиляцией текст переводится на язык ST [20].

4.5 Функциональная схема автоматизации

Функциональная схема автоматизации (ФСА) КПП СОД с противоаварийной защитой (ПАЗ) приведена на рисунке 4.4.

4.5.1 Колодцы технологические

Колодцы технологические (КТ) оборудованы:

- установленным по месту прибором типа Rosemount 3051C для измерения давления (до 10 МПа) показывающим (позиция 1.1) и преобразователем давления (позиция 1.2) в унифицированный токовый сигнал 4..20 мА для дальнейшей передачи средствами линейной телемеханики в системы телеизмерения (ТИ) и теле-сигнализации (ТСи) и модуль системы откачки утечек (СОУ);

- сигнализатором верхнего уровня (до 500 мм) типа Rosemount 2120 (позиция 2), генерирующим сигнал о затоплении КТ в систему ТСи при превышении уровня в 200 мм от дна колодца;

- источником питания 220 В, размещённым в приборном шкафу ПКУ;

- связью с приёмно-контрольным охранно-пожарным прибором (ПКПП).

Колодцы технологические с вантузом (КТВ) оборудованы:

- установленным по месту прибором типа Rosemount 3051C для измерения давления (до 10 МПа) показывающим (позиция 3.1) и преобразователем давления (позиция 3.2) в унифицированный токовый сигнал 4..20 мА для дальнейшей передачи средствами линейной телемеханики в системы ТИ и ТСи и модуль СОУ;

- установленным по месту первичным преобразователем и установленным в приборном шкафу ПКУ сигнализатором прохождения СОД типа МДПС-3 (позиция 4), передающим в систему ТСи сигналы:

а) о срабатывании датчика прохождения СОД;

б) о неисправности сигнализатора;

и принимающим из системы ТУ сигналы:

а) деблокировки сигнала датчика прохождения СОД;

б) контроля датчика прохождения СОД;

- сигнализатором верхнего уровня (до 500 мм) типа Rosemount 2120 (позиция 5), генерирующим сигнал о затоплении КТ в систему ТСи при превышении уровня в 200 мм от дна колодца;

- источником питания 220 В, размещённым в приборном шкафу ПКУ;

- связью с ПКПП.

4.5.2 Камеры пуска и приёма СОД

Камеры оборудованы:

- сигнализатором верхнего и нижнего уровня типа Rosemount 2120 (позиция 6), генерирующим сигналы о заполнении либо опустошении камеры в систему ТСи;

- сигнализатором наличия очистного устройства типа Rosemount 5600 (позиция 7.2), генерирующим в систему ТСи сигналы о наличии либо отсутствии СОД в камере;

- сигнализатором превышения допустимого давления типа Rosemount 2051T (позиция 9), срабатывающего при значении давления газа в камере выше уставки;

- входящей в комплект поставки КПП системой слежения за герметичностью камеры, выполняющей следующие функции:

а) контроль положения крышки камеры;

б) управление блокировкой крышки камеры;

в) управление газовыми кранами.

4.5.3 Дренажная ёмкость

Дренажная ёмкость оборудована сигнализатором верхнего уровня типа Rosemount 2120 (позиция 10), выполняющего функции защиты от переполнения.

4.5.4 Насос откачки утечек

Насос откачки утечек оборудован установленным по месту, показывающим датчиком давления типа Rosemount 3051S (позиция 11), контролирующим давление на нагнетательной линии насоса и передающим в систему ТСи сигналы о падении давления.

4.5.5 Приёмно-контрольный охранно-пожарный прибор

ППКП передаёт в систему ТСи следующие сигналы:

- вскрытие колодца,

- срабатывание пожарной сигнализации,

- срабатывание охранной сигнализации по периметру либо в ПКУ.

Отключение сигнализации производится средствами системы ТУ.

4.5.6 Задвижки

Электропривод задвижки, управляемой при помощи системы ТУ либо вручную, передаёт в систему ТСи сигналы своего состояния:

- задвижка открыта либо закрыта (состояния имеют дополнительные световые сигнализаторы, установленные по месту, в шкафу теле механики);

- задвижка открывается либо закрывается;

- наличие напряжения в схеме управления;

- авария электропривода (имеет дополнительную сигнализацию по месту);

- дистанционный либо местный (с помощью ручного переключателя) режим управления задвижкой;

- готовность задвижки к ТУ.

Сводный перечень используемых на объекте технических средств автоматизации приведён в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Технические средства автоматизации КПП СОД

Позиции обозначения	Наименование	Количество	Примечание
1, 3	Датчик давления типа Rosemount 3051C	2	1ExdIICT6
2.1, 5.1, 6.1, 10.1	Сигнализатор уровня типа Rosemount 2120	1	1ExdIICT6
4	Датчик прохождения очистного устройства типа МДПС-3	1	1ExdIIAT3X
7, 8.1	Сигнализатор наличия скребка типа Rosemount 5600	1	1ExdIICT6
9	Сигнализатор превышения давления типа Rosemount 2051T	2	1ExdIICT6
11	Преобразователь давления типа Rosemount 3051S	1	1ExdIICT6
ЗДД-1, ЗДД-2	Задвижка типа ПТ39193-400М
ЗД-1, ЗД-2, ЗД-3, ЗД-4, ЗД-5	Задвижка шиберная типа МА11303-03

4.5.7 Противоаварийная защита

ПАЗ - система управления технологическим процессом, которая в случае выхода процесса за безопасные рамки выполняет комплекс мер по защите оборудования и персонала.

Среди прочих мер для обеспечения безопасности взрывопожароопасных технологических процессов предусматриваются автоматические системы, предупреждающие образование взрывоопасной среды в технологическом оборудовании при отклонении от предусмотренных регламентом предельно допустимых значений параметров процесса во всех режимах работы и обеспечивающие безопасную остановку или перевод процесса в безопасное состояние по заданной программе.

Система ПАЗ - своего рода последний рубеж, за которым происходит разрушение сооружений и технических устройств, неконтролируемый взрыв или выброс опасных веществ, поэтому все случаи срабатывания ПАЗ должны учитываться и анализироваться. К системе ПАЗ предъявляются повышенные требования по надёжности, устойчивости электроснабжения и метрологическим характеристикам [21].

Разработанная для КПП СОД ТС «ВСТО» (таблица 4.3) система ПАЗ предусматривает:

- контроль давления газа в камерах пуска и приёма. При превышении заданной уставки (срабатывание сигнализатора 9.1) открывается резервный газовый кран, включается сигнализация по месту и на АРМ оператора. В случае продолжительного превышения критического уровня давления включается аварийная сигнализация, закрываются основные задвижки ЗД-1 и ЗД-2 (таким образом, прекращается поступление нефти в камеру), открываются дренажные задвижки и включается насос откачки утечек; дополнительно отправляется сообщение об аварийной ситуации на станцию ЛЭУ;

- контроль уровня жидкости в дренажной ёмкости. При превышении заданной уставки (срабатывание сигнализатора 10.1) закрываются все дренажные задвижки, включается насос откачки утечек в случае, если он выключен;

- контроль давления в нагнетательной линии насоса откачки утечек. При падении давления ниже заданной уставки (срабатывание датчика 11.1) насос отключается, включается сигнализации о неисправности насоса.

Таблица 4.3 - Противоаварийная защита КПП СОД

Номер позиции	Условие срабатывания	Действие защиты
1	Превышение уставки давления P ? 8,0 МПа	Открытие резервного газового крана
2	Высокий уровень жидкости в ёмкости L ? 3,2 м	Закрытие дренажных задвижек
3	Низкое давление в нагнетательной линии насоса P ? 0,3 МПа	Отключение насоса с выдержкой времени 10 с

Во всех случаях включается дополнительная световая и звуковая сигнализация по месту и в ПКУ, отключаемая с АРМ оператора.

Надёжность всего контура защиты определяется надёжность самого слабого элемента. Установленные на КПП СОД интеллектуальные дискретные измерительные переключатели (сигнализаторы) должны не только обеспечивать необходимый уровень защиты, но и иметь несколько состояний отказа, практически все из которых являются легко обнаружимыми. Поэтому регулярные контрольные испытания не требуются, за исключением сигнализаторов превышения давления в камере, которые отвечают за сигнализацию возможного появления взрывоопасности. Эти сигнализаторы должны быть продублированы. Испытания проводятся поочерёдно для каждого датчика, при этом второй остаётся включенным в рабочий контур системы ПАЗ.

4.6 Выбор и описание технических средств автоматизации

Основными контролируемыми параметрами на объекте управления, в том числе входящими в систему ПАЗ, являются давление и уровень. Рассмотрим сравнительные характеристики современных датчиков этих параметров (таблицы 4.2 и 4.3).

Таблица 4.2 - Основные характеристики датчиков давления

Характеристика	Тип прибора
	Сапфир 22ДИ-Ех	Rosemount 3051C	Yokogawa EJX430A	Метран 100-Вн-ДИ
Основная приведённая погрешность, %	± 0,5	± 0,025	± 0,04	± 0,15
Температура измеряемой среды, °С	минус 50 - + 120	минус 73 - + 205	минус 40 - + 120	минус 40 - + 70
Температура окружающей среды, °С	минус 40 - + 70	минус 51 - + 85	минус 40 - + 85	минус 40 - + 70
Наработка на отказ, не менее, час.	100000	150000	100000	150000
Средний срок службы, не менее, лет	12	15	10	15
Стоимость, тыс. руб.	6	40	16	16

Очевидно, что по всем основным характеристикам (в том числе, по надёжности) сигнализатор давления Rosemount 3051C значительно превосходит конкурентов. Несмотря на высокую стоимость, точность и надёжность приборов данного типа позволяют получить значительный экономический эффект от их установки (см. раздел 6).

Кроме того, из всех перечисленных только сигнализатор Rosemount 3051C имеет сертификацию в соответствии со стандартом IEC 61508 и может применяться в качестве одиночного сигнализатора в системах ПАЗ по классу SIL 2 или в паре - по классу SIL 3.

Таблица 4.3 - Основные характеристик сигнализаторов уровня

Характеристика	Тип прибора
	ОВЕН САУ-М7Е	Rosemount 2120	Метран УМС4.50М
Температура измеряемой среды, °С	минус 10 - + 100	минус 40 - + 150	минус 20 - + 140
Температура окружающей среды, °С	+5 - + 50	минус 40 - + 80	минус 20 - + 80
Наработка на отказ, не менее, час.	100000	170000	120000
Средний срок службы, не менее, лет	10	15	12
Стоимость, тыс. руб.	8	25	30

Большое значение в условиях Восточной Сибири имеет рабочий диапазон температур окружающей среды, который наиболее широк у датчика типа Rose-mount 2120. С учётом требований высокой надёжности и унификации, выбор падает именно на него.

Необходимо также учитывать, что в случае, если стоимость датчиков ограничена техническим заданием, выбранные преобразователи можно заменить любыми другими при условии, что они способны передавать показания на средний уровень автоматизации унифицированным токовым сигналом 4..20 мА.

4.6.1 Датчик давления типа Rosemount 3051C

Измерительный комплекс типа Rosemount 3051C предназначен для измерения дифференциального и абсолютного давлений. Пьезорезистивный сенсор соединён с модулем электроники на базе микропроцессора (рисунок 4.5) для выдачи цифрового сигнала, пропорционального измеряемой величине. Микропроцессор повышает точность измерения за счёт введения поправок компенсации статического давления и температуры окружающей среды.

Принцип действия пьезорезистивного сенсора основан на изменении сопротивления интегральных чувствительных элементов из монокристаллического кремния. Кремниевые преобразователи имеют высокую чувствительность благодаря изменению удельного объёмного сопротивления полупроводника при деформировании давлением [22].

Рисунок 4.5 - Устройство датчика давления типа Rosemount 3051C

Входные сигналы:

- давление;

- температура;

- дифференциальное давление.

Выходной сигнал - унифицированный токовый (4..20 мА) либо цифровой, пропорциональный измеряемому давлению с учётом поправок компенсации статического давления и температуры окружающей среды.

4.6.2 Сигнализатор уровня типа Rosemount 2120

Сигнализатор уровня жидкости разработан с использованием принципа камертона. Пьезоэлектрический кристалл при подаче на него напряжения создаёт колебания чувствительной вибрационной вилки с частотой ~ 1300 Гц. Изменения этой частоты отслеживаются электроникой в непрерывном режиме. При погружении вилки в жидкость (состояние «мокрый контакт») частота колебаний вилки уменьшается, что приводит к переключению контактов сигнализатора. Сигнал об изменении состояния контактов подаётся в систему управления (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6 - Устройство сигнализатора уровня типа Rosemount 2120

Приборами контролируются две точки уровня жидкости в каждом КТ: Hi (верхний уровень) и HiHi (верхний предельный уровень).

Сигнализатор состоит из корпуса, соединения с объектом измерения и чувствительного элемента вибрационной вилки. Соединение и вилка - единственные части, контактирующие с технологической средой. Рабочая частота вилки ~ 1300 Гц выбрана для того, чтобы избежать возможных помех в работе сигнализатора и ложного переключения при возможном возникновении вибраций (резонанса частот) от производственного оборудования. Для повышения жёсткости и надёжности конструкции для стандартного исполнения выбрана короткая длина вилки (44 мм), чтобы погружаемая в среду часть сигнализатора была минимальна.

Сигнализатор работает как простой однополюсный выключатель, который меняет своё рабочее состояние в зависимости от наличия или отсутствия жидкости [23].

Входной сигнал: превышение допустимого уровня жидкости в КТ.

Выходной сигнал: импульс длительностью, соответствующей частоте колебаний вибрационной вилки.

4.6.3 Сигнализатор прохождения очистного устройства типа МДПС-3

Прибор представляет собой устройство, регистрирующее перемещение ферромагнитных объектов (стальных предметов, конструкций и т.п.) магнито-метрическим методом.

Сигнализатор состоит из двух магнитометрических датчиков, устройства цифровой обработки сигналов, устройства звуковой и визуальной индикации, аккумуляторной батареи (рисунок 4.7).

Рисунок 4.7 - Устройство сигнализатора типа МДПС-3

Для регистрации прохождения СОД датчики устанавливаются непосредственно на обваловку либо в технологический колодец вдоль оси трубопровода. В момент прохождения СОД места установки датчиков возникает изменение магнитного поля, которое преобразуется магнитометрическими датчиками в измерительные сигналы. Сигналы с каждого из датчиков поступают в устройство цифровой обработки сигналов, где происходит выделение полезного сигнала и усиление его до уровня, необходимого для работы процессора. Процессор проводит анализ сигналов и по заложенным критериям принимает решение о прохождении СОД, после чего включается световая и звуковая сигнализация, которая может быть отключена оператором.

Магниточувствительные датчики представляют собой катушки индуктивности, расположенные в корпусах блоков датчиков, выполненных из нержавеющей стали [24].

Датчики МДПС-3 входят как в состав технологических колодцев установленных на КПП СОД, так и в состав оборудования, имеющегося у оперативной группы, вызываемой в случае застревания СОД в линейной части трубопровода для поиска его местонахождения с поверхности грунта.

Входной сигнал: положение СОД.

Выходной сигнал: импульс.

5. Разработка программы управления технологическими процессами на камере пуска и приёма средств очистки и диагностики для промышленного контроллера. Разработка графического интерфейса в SCADA-пакете Trace Mode 6

5.1 Постановка задачи

Одной из задач дипломного проекта является составление управляющей программы для ПЛК и соответствующего ей операторского интерфейса в SCADA-системе Trace Mode, которые осуществляли бы следующие функции:

- формирование операций по пуску и приёму СОД с минимальным участием в них человека;

- обеспечение безопасность на объекте (автоматическое срабатывание технологических защит и блокировок, недопущение действий, приводящих к нарушению технологического режима);

- осуществление оповещения и срабатывания аварийной сигнализации.

5.2 Описание программного обеспечения

5.2.1 Среда разработки Trace Mode 6

Создание проекта (написание и отладка программы, разработка графического интерфейса и обеспечение их взаимодействия) осуществляется в единой интегрированной среде разработки Trace Mode 6, работающей под управлением операционной системы Microsoft Windows 7.

Trace Mode 6 предназначена для автоматизации промышленных предприятий, энергетических объектов, интеллектуальных зданий, объектов транспорта, систем энергоучёта и т.д. Масштаб систем автоматизации, создаваемых в Trace Mode, может быть любым - от автономно работающих управляющих контроллеров и АРМ до территориально распределённых систем управления, включающих десятки контроллеров и АРМ, обменивающихся данными с использованием различных коммуникаций - локальная сеть, интернет, последовательные шины на основе RS-232/485, выделенные и коммутируемые телефонные линии и т.д.

Trace Mode 6 располагает встроенными драйверами, позволяющими подключать более двух тысяч наименований устройств ввода/вывода - ПЛК, удалённых устройств связи с объектом (УСО), плат ввода/вывода и промышленных сетей. Поддержка спецификаций OPC DA и HDA, протоколов DDE и NetDDE, а также открытый формат драйвера ввода/вывода и возможность прямого обращения к динамическим библиотекам (DLL) средствами языка программирования ST определяют широкие возможности по включению в состав систем автоматизации, разработанных в Trace Mode, разнообразного оборудования и обмену данными с внешними приложениями [25].

Классы систем, создаваемых в Trace Mode 6, могут быть как информационно-измерительные (мониторинга), так и управляющие. Архитектура таких систем в свою очередь может быть как централизованная, так и распределённая - в зависимости от заданных требований.

Использование технологии автопостроения и подход к разработке проекта системы автоматизации как единого проекта, существенно повышают производительность труда разработчиков систем, значительно уменьшая долю рутинных ручных операций и снижая количество ошибок в проектах.

Надёжный и высокопроизводительный обмен данными между контроллерами и АРМ в Trace Mode 6 обусловлен использованием логического сетевого протокола I-Net (поверх TCP/IP), или M-Link - в случае использования последовательных коммуникаций. Хранение и доступ к накапливаемой информации реализуется через систему архивирования технологических параметров PB SIAD 6.

Динамические характеристики и надёжность создаваемого в Trace Mode 6 программного обеспечения позволяют применять разработанные системы автоматизации в любых отраслях, в том числе и в нефтегазовой промышленности.

Инструментальная среда Trace Mode 6 (внешний вид приведён на рисунке 5.1) устанавливается на рабочем месте инженера-разработчика АСУ и предназначена для создания системы автоматизации и отладки всех её компонентов.

Рисунок 5.1 - Внешний вид инструментальной среды Trace Mode 6

Для программирования алгоритмов функционирования разрабатываемого проекта в АСУ в Trace Mode 6 включены языки Техно ST, Техно SFC, Техно LD и Техно IL. Данные языки являются модификациями языков ST (Structured Text), SFC (Sequential Function Chart), FBD (Functional Block Diagram) и IL (Instruction List) стандарта IEC61131-3 [26].

Основным языком программирования является Техно ST. Программы, разработанные на других языках, перед компиляцией транслируются в Техно ST.

Trace Mode 6 имеет также средства для отладки программ [27].

5.2.2 Язык программирования Техно ST

Structured Text (ST) - язык программирования стандарта IEC61131-3. Предназначен для программирования промышленных контроллеров и операторских станций. Широко используется в SCADA-пакетах. Удобен для написания больших программ и работы с аналоговыми сигналами и числами с плавающей точкой.

Для описания структуры программы и операторов в Техно ST приняты следующие терминологические соглашения:

- выражение - последовательность операндов, разделителей и символьных операторов, задающая вычисление без присвоения результата;

- предложение - последовательность лексем, определяющая выполнение логически законченного промежуточного действия. Таким действием может быть присвоение переменной результата вычислений, вызов функции блока и т.п. Операторы (кроме символьных) также образуют предложения.

На основании этих соглашений программа или её компонент на языке Техно ST определяется как последовательность предложений.

Каждое предложение должно завершаться точкой с запятой. Исключением из этого правила являются операторы определения переменных, для завершения которых точка с запятой не используется.

Длина строки программы не ограничивается, лексемы разделяются произвольным числом пробелов, знаков табуляции или символов перевода строки [26].

5.3 Составление графа переходов процессов приёма и пуска средств очистки и диагностики

5.3.1 Последовательность технологических операций

Приём внутритрубного снаряда из линейной части МН производится следующим образом. При приближении снаряда к узлу приёма (контролируется при помощи датчика прохождения СОД, установленного в КТ) запорная задвижка 3 переводится в открытое положение, чтобы направить часть нефтяного потока через камеру приёма. При этом открывается врезка для стравливания газовоздушной смеси (газовый кран), камера блокируется. В случае, если давление газа превышает критическое, то открывается резервный газовый кран и включается сигнализация. После наполнения камеры нефтью открывается выходная запорная задвижка 4, что обеспечивает постоянное прохождения части потока через камеру приёма, которым СОД проталкивается в камеру до полной остановки. Задвижки 3 и 4 закрываются с задержкой между закрытиями, изменяемой в зависимости от времени года и характеристик перекачиваемой нефти (обычно 2-4 мин.), и оставшаяся в камере нефть полностью сливается через дренажные задвижки 7-10 в сливную ёмкость, включается насос откачки утечек, обеспечивающий подачу нефти из сливной ёмкости обратно в линейную часть. Скребок извлекается из камеры и транспортируется к месту хранения. Система автоматически сбрасывается в начальное состояние, в котором все технологические задвижки закрыты.

Если СОД не появилось в камере приёма через 30 минут после прохождения КТ, включается сигнализация, отключаемая с АРМ оператора (перевод в режим ожидания, либо возврат в начальное состояние из-за ошибочного срабатывания датчика прохождения СОД КТ, либо продолжение операций приёма в случае тестовых запусков системы).

Запуск внутритрубного снаряда в линейную часть производится следующим образом: скребок помещается в камеру пуска, открываются запорная задвижка 6 и газовый кран камеры пуска. После наполнения камеры нефтью открывается задвижка 5, и СОД проталкивается потоком в трубопровод; задвижки 5 и 6 закрываются, осуществляется дренаж камеры пуска.

В случае невозможности открытия либо закрытия задвижек срабатывает аварийная сигнализация и процесс пуска/приёма приостанавливается. При заклинивании ключевых задвижек (3, 4, 5, 6) продолжение работы камеры невозможно до ручного устранения неисправности, для задвижек на сливах (7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14) возможно нормальное выполнение операций при наличии хотя бы одной рабочей задвижки.

5.3.2 Теоретические основы составления графа переходов

Математической моделью дискретного управляющего устройства является абстрактный автомат, который задается множеством из шести элементов:

S = {A, Z, W, д, л, а1}, (4.1)

Где А - множество состояний;

Z - множество входных сигналов;

W - множество выходных сигналов;

д - функция переходов;

л - функция выходов;

а1 - начальное состояние автомата.

Чтобы задать конечный автомат S, необходимо описать все элементы множества S, то есть входное и выходное множество и множество состояний, а также функции переходов и выходов. Среди множества состояний необходимо выделить состояние a1, в котором автомат находится в момент времени t = 0. Существует несколько способов задания работы автомата, но наиболее часто используется графический метод (граф переходов).

На практике наибольшее распространение получили автоматы Мили - конечные автоматы, выходная последовательность которых зависит от состояния автомата и входных сигналов. Это означает, что в графе состояний каждому ребру соответствует некоторое значение (выходная переменная). В вершины графа автомата Мили записываются выходные сигналы, а дугам графа приписываются условия перехода из одного состояния в другое, а также входные сигналы.

Каждому состоянию графа назначается уникальное числовое значение. Следует иметь в виду, что эти числовые значения произвольны и не имеют никакого смысла вне графа [28].

5.3.3 Выделение входных и выходных сигналов

5.3.3.1 Автоматические входные сигналы

XSP-17 - прохождение скребка возле КТ № 17;

XSP-19 - прохождение скребка возле КТ № 19;

ХLC-AFULL - камера пуска близка к наполнению нефтью;

ХRC-AFULL - камера приёма близка к наполнению нефтью;

ХLC-EMP - камера пуска пуста;

ХRC-EMP - камера приёма пуста;

ХLC-SP - скребок находится в камере пуска;

ХRC-SP - скребок находится в камере приёма;

ХLC-BL - камера пуска заблокирована;

ХRC-BL - камера приёма заблокирована;

ХLC-O - камера пуска открыта;

ХRC-O - камера приёма открыта;

ХRG - газовый кран камеры приёма открыт/закрыт;

ХRGR - резервный газовый кран камеры приёма открыт/закрыт;

ХLG - газовый кран камеры пуска открыт/закрыт;

ХRG-B - газовый кран камеры приёма не может быть открыт;

ХRGR-B - резервный газовый кран камеры приёма не может быть открыт;

ХLG-B - газовый кран камеры пуска не может быть открыт;

Xi-O - i-ая задвижка открыта;

Xi-OB - i-ая задвижка не может быть открыта;

Xi-C - i-ая задвижка закрыта;

Xi-CB - i-ая задвижка не может быть закрыта;

XP - давление газа в камере приёма превышает критическое;

XPM - давление газа в камере приёма превышает максимально допустимое.

5.3.3.2 Ручные входные сигналы

MXSP-17 - принудительное начало операций по приёму скребка;

MXL - начало операций по пуску скребка;

YC - продолжение цикла пуска/приёма;

YW - возврат к ожиданию скребка;

Y - сброс в начальное состояние.

5.3.3.3 Выходные сигналы

Ui-O - управление открытием i-ой задвижки;

Ui-C - управление закрытием i-ой задвижки;

URC-BL - управление блокировкой открытия камеры приёма;

ULC-BL - управление блокировкой открытия камеры пуска;

URG - управление газовым краном камеры приёма;

URGR - управление резервным газовым краном камеры приёма;

ULG - управление газовым краном камеры пуска;

ULP - управление насосом откачки утечек.

5.3.3.4 Аварийная сигнализация (выходные сигналы)

ILC-O - камера пуска открыта;

IRC-O - камера приёма открыта;

ILG-B - газовый кран камеры пуска не может быть открыт;

IRG-B - газовый кран камеры приёма не может быть открыт;

IRGR-B - резервный газовый кран камеры приёма не может быть открыт;

Ii-OB - i-ая задвижка не может быть открыта;

Ii-CB - i-ая задвижка не может быть закрыта;

ICB - одна из задвижек не может быть закрыта;

IP - давление газа в камере приёма превышает критическое;

IPM - давление газа в камере приёма превышает максимально допустимое;

IW - окончание времени ожидания скребка.

5.3.3.5 Таймеры

ТW / ZW - ожидание СОД, ~ 30 мин.;

Т3 / Z3 - интервал между закрытием 3 и 4 задвижек, ~ 2 мин.;

Т5 / Z5 - интервал между закрытием 5 и 6 задвижек, ~ 2 мин.

Полученный граф переходов представлен на рисунках 5.2 (запуск СОД) и 5.3 (приём СОД). Состояния нормального протекания технологического процесса отмечены белым цветом, возможные аварийные и внештатные ситуации - серым.



При составлении графического изображения реального графа состояний были сделаны следующие допущения:

- граф разбит на два рисунка исключительно для удобства, следует помнить, что начальное (0) и предначальное (100) состояния являются общими для обоих рисунков;

- состояния невозможности открытия дренажных задвижек (821, 831, 841, 171, 181, 191) приведены в варианте единственной комбинации отказов для экономии места; в управляющей программе предусмотрены все комбинации;

- поступивший с пульта управления сигнал сброса системы в предначальное состояние (Y) срабатывает из любого состояния системы, за исключением случаев, когда это может привести к возникновению аварийной ситуации (на графе такие состояния указаны).

5.4 Написание управляющей программы на языке Техно ST

При написании использованы следующие основные операторы:

- if - then - elsif - else;

- case.

5.4.1 Оператор if - then - elsif - else

Данный оператор начинается с ключевого слова if и заканчивается ключевым словом end_if. Определены три варианта задания:

- if {выражение} then {последовательность предложений} end_if - если вы-ражение истинно, выполняется последовательность предложений, иначе никаких действий не производится;

- if {выражение} then {последовательность предложений 1} else {последовательность предложений 2} end_if - если выражение истинно, выполняется последовательность предложений 1, иначе выполняется последовательность предложений 2;

- if {выражение 1} then {последовательность предложений 1}

elsif {выражение 2} then {последовательность предложений 2}

...

elsif {выражение N} then {последовательность предложений N}

else {последовательность предложений} end_if - выполняется первая по порядку последовательность предложений, для которой соответствующее выражение истинно. Если все выражения ложны, выполняется последовательность предложений, следующая за ключевым словом else. Количество блоков «elsif {выражение} then {последовательность предложений}» не ограничено.

5.4.2 Оператор case

Оператор позволяет выполнять одну заданную ветвь в зависимости от значения вычисляемой ключевой переменной (переменная imp в программе соответствует номеру состояния графа).

Применение:

case {переменная или выражение} of

{список значений 1}: {последовательность предложений 1};

...

{список значений N}: {последовательность предложений N};

else {последовательность предложений};

end_case;

Список значений представляет собой набор целых чисел или набор диапазонов целых чисел, разделённых запятой.

Действие: если результат вычисления выражения или переменная принадлежит множествам, заданным списками значений, выполняется соответствующая последовательность предложений. Если результат вычисления не принадлежит ни одному из заданных множеств, выполняется последовательность предложений, следующая за ключевым словом else [26].

Листинг управляющей программы приведён в приложении Б.

В основу композиции программы положен принцип блочности, вытекающий из использования оператора case: каждому состоянию графа переходов соответствует своё значение переменной imp, а ей, в свою очередь, соответствует определённая ветвь оператора case.

Сделано это, во-первых, для удобства чтения программного кода, во-вторых, для предотвращения возможных ситуаций зацикливания контроллера, так как после каждого цикла работы ПЛК значение переменной проверяется.

Рассмотрим принцип действия программы на примере.

006: TSTART(T3);

U_3_C:=true;

if X_3_OB then imp:=611; end_if;

if T3>=t#3m then imp:=7; end_if;

if Y then imp:=100; end_if;

В начале контроллерного цикла переменная imp имеет значение 6. Перед проверкой условий переходов запускается таймер T3 (задержка между закрытиями задвижек 3 и 4) и подаётся сигнал на закрытие задвижки 3. Значение переменной ветвления не изменяется до тех пор, пока не выполнится одно из трёх условий:

- время задержки превысило 3 минуты. В этом случае производится смена значения переменной imp на 7 (переход в соответствующее состояние нормальной последовательности технологических операций);

- с задвижки 3 поступил сигнал об аварии, она не может быть закрыта. Осуществляется переход в аварийное состояние 611;

- с АРМ оператора поступил квитированный сигнал сброса системы в начальное состояние. Переменной присваивается значение предначального состояния 100.

5.5 Разработка графического интерфейса в SCADA-пакете Trace Mode 6. Обеспечение его функционирования в соответствии с управляющей программой

Главным требованием к графическому интерфейсу является предсказуемость работы системы, чтобы пользователь заранее интуитивно понимал, какое действие выполнит программа после получения его команды. Поэтому основные графические элементы выполнены в соответствии с технологической схемой объекта управления.

Интерфейс должен быть двунаправленным (интерактивным), то есть устройство, получив команды от пользователя и исполнив их, должно выдавать визуальную информацию о своём состоянии и состоянии контролируемого параметра пользователю наличествующими у неё средствами. Приняв эту информацию, пользователь выдаёт устройству последующие команды предоставленными в его распоряжение средствами: кнопки, переключатели, регуляторы и т. д.

Поскольку интерфейс есть совокупность, то он состоит из элементов, которые, сами по себе, также могут состоять из элементов. Все элементы интерфейса, представленные пользователю на дисплее, должны быть исполнены в виде графических изображений.

Особое и отдельное внимание в интерфейсе пользователя традиционно уделяется его эффективности и удобству пользования (юзабельности). Понятный, удобный, дружественный - его основные характеристики [29].

Общий вид разработанного интерфейса приведён на рисунке 5.4.

На мнемосхеме показаны все основные технологические объекты и их состояния в данный момент времени, в том числе:

- основные и дренажные трубопроводы;

- направление потока нефти;

- камеры пуска и приёма с газовыми кранами;

- основные и дренажные задвижки;

- технологические колодцы;

- дренажная ёмкость;

- насос откачки утечек;

- таблицы и индикатор аварийных состояний;

- управляющие кнопки оператора.

Штриховкой обозначена подземная часть КПП СОД.

Рисунок 5.4 - Общий вид разработанного интерфейса

В данной ситуации видно, что камера приёма открыта, что показано графически (открыта крышка), сигнализируется восклицательным знаком на камере и красной лампочкой в таблице. В то же время задвижки 5 и 6 открыты. Следовательно, в данный момент производится пуск СОД, так как после его прохождения через КТ-19 задвижки автоматически закроются.

Насос откачки утечек выключен, дренаж в данный момент не осуществляется.

5.4.1 Активный элемент «Колодец технологический»

Является индикатором прохождения очистного устройства мимо технологических колодцев № 17 и 19. В случае отсутствия СОД представляет собой белый круг (рисунок 5.5, а), в случае прохождения - красный круг с белой буквой С (рисунок 5.5, б).



а) б)

Рисунок 5.5 - Графическое изображение АЭ «Колодец технологический»: а - отсутствие СОД; б - прохождение СОД

В тексте управляющей программы состояния АЭ привязаны к входным переменным

X_SP_i

где i - номер КТ.

5.4.2 Активный элемент «Задвижка»

Является индикатором текущего состояния задвижки с указанным номером (открыта либо закрыта). Графическое изображение приведено на рисунке 5.6.

а) б)

Рисунок 5.6 - Графическое изображение АЭ «Задвижка»: а - открытое положение; б - закрытое положение

В тексте управляющей программы управление АЭ осуществляется с помощью следующих входных переменных:

- X_i_O - команда на открытие задвижки (i - номер задвижки);

- X_i_O - команда на закрытие задвижки.

5.4.3 Активный элемент «Насос откачки утечек»

Является индикатором текущего состояния погружного насоса откачки утечек, установленного в дренажной ёмкости (включен либо выключен). Графическое изображение приведено на рисунке 5.7.

а) б)

Рисунок 5.7 - Графическое изображение АЭ «Насос откачки утечек»: а - включен; б - выключен

Текущее состояние насоса записывается в выходную переменную U_LP (0 -выключен, 1 - включен).

5.4.4 Активный элемент «Газовый кран»

Является индикатором текущего состояния основных газовых кранов, установленных на камерах пуска и приёма, а также резервного газового крана, установленного на камере приёма (открыт либо закрыт). Графическое изображение приведено на рисунке 5.8.

а) б)

Рисунок 5.8 - Графическое изображение АЭ «Газовый кран»: а - открытое положение; б - закрытое положение

Текущие состояния газовых кранов записываются в выходные переменные U_RG (газовый кран камеры приёма), U_RGR (резервный газовый кран камеры приёма), U_LG (газовый кран камеры пуска).

5.4.5 Активный элемент «Крышка камеры»

Является индикатором текущего состояния крышек камер пуска и приёма (открыты либо закрыты). Графическое изображение приведено на рисунке 5.9.

Элемент не привязан к выходным переменным, так как открытие и закрытие камер осуществляется исключительно вручную.

а) б)

Рисунок 5.9 - Графическое изображение АЭ «Крышка камеры»: а - открытое положение; б - закрытое положение

5.4.6 Индикация аварийных ситуаций

В системе предусмотрена аварийная сигнализация в следующих ситуациях:

- крышка камеры открыта;

- газовый кран не может быть открыт;

- давление газа в камере превышает допустимое;

- давление газа в камере превышает критическое;

- задвижка не может быть открыта либо закрыта;

- время ожидания СОД после прохождения КТ либо отправки его с предыдущей КПП превышено.

Индикация производится следующим образом: на изображение объекта, находящегося в предаварийном состоянии, помещается знак предупреждения (рисунок 5.10), дополнительно загорается красная лампочка в сводных таблицах аварийных ситуаций, размещённых под мнемосхемой объекта управления.

Рисунок 5.10 - Графическое изображение знака предупреждения аварийной ситуации

5.4.7 Управляющие кнопки

Для коррекции выполнения технологического процесса в случае аварийных и внештатных ситуаций предусмотрены кнопки сброса системы в начальное состояние («RESET»), продолжения выполнения технологических операций после устранения неполадок либо в тестовом режиме, продолжения ожидания СОД после истечения времени соответствующего времени ожидания, заданного таймером.

5.4.8 Таймеры

В системе предусмотрены следующие таймеры:

- время ожидания СОД после его запуска с предыдущей КПП;

- время ожидания СОД после прохождения им технологического колодца непосредственно перед КПП;

- время ожидания прохождения скребком ближайшего технологического колодца, находящегося на линейной части, после запуска СОД.

Задание таймеров производится отдельно для каждой КПП в меню, вызываемом нажатием кнопки «Задание таймеров». Значения времени ожидания зависят от расстояний до технологических колодцев и предыдущей КПП, а также от свойств перекачиваемой нефти.

Приблизительная оценка времени производится по формуле:

, (4.1)

Где 0,88 - коэффициент, учитывающий снижение скорости СОД относительно скорости потока нефти;

S - длина участка от точки запуска таймера до КПП СОД, км;

V - скорость потока нефти, км/ч.

Скорость потока можно определить по формуле:

, (4.2)

Где Q - расчётная производительность МН, млн. т/год;

F - средняя площадь проходного сечения МН при расчётном диаметре, м2;

С - средняя плотность нефти при расчётной температуре, т/м3;

T - расчётное число рабочих дней МН.

Для ТС «ВСТО» скорость потока обычно принимается равной 6-8 км/ч.

Однако, следует отметить, что времена задержки на таймерах обычно сильно завышаются, чтобы избежать срабатываний аварийной сигнализации без необходимости. К тому же, большинство современных СОД снабжены передатчиками электромагнитных сигналов, поэтому их отслеживание по трассе в случае задержки либо застревания не составляет трубностей.

Разработанный интерфейс обеспечивает полную информацию о состоянии (как текущем, так и прошлом) технологического процесса, позволяет оператору своевременно узнавать о нарушениях и аварийных ситуациях, производить запуск и остановку системы с АРМ.

6. Охрана труда и техника безопасности

6.1 Организационные основы охраны труда

Основной задачей по организации работ в области охраны труда является реализация требований стандарта OHSAS 18001, государственных требований в области охраны труда, в том числе:

признание и обеспечение приоритета жизни и здоровья работников;

принятие к исполнению и реализация федеральных законов и иных нормативных правовых актов РФ, законов и иных нормативных правовых актов субъектов РФ об охране труда, а также программ улучшения условий и охраны труда;

расследование несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний;

защита законных интересов работников, пострадавших от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний, а также членов их семей на основе обязательного социального страхования работников от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний;

установление компенсаций за тяжелую работу и работу с вредными или опасными условиями труда, неустранимыми при современном техническом уровне производства и организации труда;

обеспечение приоритетного финансирования мероприятий, направленных на создание здоровых и безопасных условий труда;

организация и обеспечение подготовки, повышения квалификации работников по охране труда;

разработку и внедрение безопасных техники и технологий, внедрения в производство новых средств индивидуальной и коллективной защиты работников;

обеспечение работников средствами индивидуальной и коллективной защиты, а также санитарно-бытовыми помещениями и устройствами, лечебно-профилактическими средствами;

развитие научно-исследовательских работ по охране труда, активное внедрение их результатов в производство.

Объекты трубопроводного транспорта, как носители опасных и вредных производственных факторов, относятся к категории повышенной опасности.

Основными факторами и обстоятельствами, определяющими категорию повышенной опасности объектов и технологических процессов трубопроводного транспорта являются:

опасные и вредные свойства нефти и входящих в её состав легких и тяжёлых углеводородных фракций (газожидкостной нефтегазовой среды);

большие единичные мощности и высокая энерговооруженность;

технологические особенности;

большая рассредоточенность технологических объектов;

широта диапазона и специфика работ.

Идентификация опасностей, оценка рисков и управление рисками выполняется с целью планирования деятельности в области охраны труда, обоснования мероприятий по снижению рисков до приемлемого и экономически обоснованного уровня.

Безопасные и здоровые условия труда должны обеспечиваться планомерным и систематическим проведением комплекса организационных, социальных, технических и финансово-экономических мероприятий в соответствии с политикой компании в области охраны труда, в том числе:

чётким распределением функций, задач и ответственности различных структур, как по вертикали, так и по горизонтали;

обязательным регламентированием всех видов работ;

обязательностью первоочередного финансирования мероприятий по охране труда отдельной строкой, организацией бухгалтерского учёта расходования выделенных средств;

обязательностью соответствия производственных процессов и проводимых различных мероприятий нормативным требованиям, принятием критериев для количественной оценки результатов в области охраны труда;

организацией обучения и систематическим повышением квалификации работников;

созданием санитарно-бытовых и санитарно-гигиенических условий труда для работников, эффективной системы медицинского обслуживания, обеспечением работников специальной одеждой, обувью, а также средствами индивидуальной и коллективной защиты в соответствии с нормами и правилами;

организацией работ по обеспечению безопасных и здоровых условий труда;

организацией эффективной системы контроля;

распределением обязанностей и ответственности должностных лиц, исполнителей по обеспечению безопасности труда при ведении производственно-технологических процессов и других действий в интересах производства.

Организация работ по обеспечению безопасных и здоровых условий труда должна содержать в своём составе и предусматривать планомерное и систематическое проведение предупредительно-профилактических работ, работ по обеспечению безопасности труда при эксплуатации оборудования, зданий и сооружений.

6.2 Анализ потенциальных опасностей и производственных вредностей на камере пуска и приёма средств очистки и диагностики

Первичные датчики устанавливаются непосредственно на технологические объекты (камеры пуска и приёма СОД, трубопроводы, дренажные ёмкости), где в процессе эксплуатации системы рабочей средой является нефть, попутный газ и возможно возникновение взрывоопасных смесей, а вторичные приборы - в шкафах КИПиА и операторной.

Производственные опасности и вредности могут быть обусловлены следующими факторами:

- при монтаже и эксплуатации первичных приборов КПП СОД может возникнуть опасность отравления парами нефтяного газа через неплотные соединения арматуры и трубопроводов. В таблице 6.1 приведены токсические свойства нефти и попутного нефтяного газа;

- взрывопожароопасность обусловлена тем фактом, что при обслуживании системы автоматизации в производственной среде возможно наличие взрыво-пожароопасных смесей и при нарушении норм, правил и инструкций по технике безопасности не исключена возможность возникновения источника зажигания (искра, открытый огонь), и как следствие, пожара и взрыва;

- поражение электрическим током с напряжением 380 В в случае выхода из строя заземления электрооборудования или пробоя электроизоляции, неприменения средств защиты и так далее при обслуживании средств автоматизации;

- воздействие электрического тока с напряжением 220 В при смене вторичной аппаратуры, из-за случайного прикосновения к токоведущим частям стоек системы контроля и управления, а также в случае нарушения изоляции кабелей, проводов без снятия напряжения;

- опасности, связанные с наличием давления при обслуживании первичных приборов (давление менее 0,6 МПа возникает при нарушении «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих с давлением» ПБ 03-576-03, а также в случае отказа регулирующих органов и приборов контроля системы автоматизации);

- воздействие атмосферного (удар молнии) и статического электричества. Прямой удар молнии, при котором сила тока может достигать 200 А, напряжение - 150 MB, а температура - 300 °C, вызывает разрушения большой силы;

- производственные травмы, причиной которых может быть недостаточное освещение рабочего места. Освещение, не соответствующее условиям работы, вызывает повышенную утомлённость, замедленную реакцию, приводит к ухудшению зрения и может явиться существенной причиной травматизма;

- во время монтажа, ремонта датчиков на дренажных емкостях может возникнуть опасность падения с высоты, а также возможность получения механических травм у персонала, обслуживающего средства автоматизации;

- метрологические параметры должны соответствовать допустимым нормам производственного микроклимата в операторной.

Таблица 6.1 - Взрывопожароопасные и токсические свойства нефти и попутного нефтяного газа ТС «ВСТО»

Наименование вещества	Агрегатное состояние	Класс опасного вещества	Температура, °C	Концентрационный предел взрываемости, % объёма	Характеристика токсичности (воздействие на организм человека)	Предельно допустимая концентрация веществ в воздухе рабочей зоны производственных помещений, мг/м3
			вспышки	самовоспламенения	нижний	верхний
Нефть	Ж (п)	4	-18,0	233	1,1	7,4	Наиболее сильное влияние на ЦНС	10
Попутный нефтяной газ	Г	4	-	405-580	6,0	13,5	Отравление организма	300

Пары нефти действуют, главным образом, на центральную нервную систему. Признаки отравления чаще всего проявляются в виде головокружения, сухости во рту, головной боли, тошноты, усиленного сердцебиения, общей слабости и потери сознания [30].

Попутный газ - бесцветная смесь легких углеводородных паров, легко воспламеняется, обладает вредным воздействием на организм человека. В зависимости от концентрации может вызывать отравление организма разной степени тяжести (ОБУВ составляет 50 мг/м3).