Система тестирования станции управления с интеллектуальными функциями, управляющей процессом добычи нефти Российский патент 2024 года по МПК G05B23/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для тестирования и диагностики станций управления технологических процессов добычи нефти.

Уровень техники

Известен способ диагностики сложных радиоэлектронных устройств (патент РФ № 2265236, кл. МПК G05B 23/02, дата публ. 11.27.2005) заключающийся в том, что на вход контролируемого устройства подаются заранее сформированные наборы входных данных, а диагностика работы устройства выполняется по оценке выходных параметров в заданные моменты времени. При этом корректность работы устройства оценивается по эталонным сигналам отклика. Недостатками данного способа тестирования является невозможность оценки сложных технических устройств, которые должны не только оценивать корректность данных, но и анализировать их динамику и предлагать регулирование входных параметров.

Известен стенд для функционального контроля и диагностики электронных регуляторов газотурбинных двигателей (патент РФ № 2308749, кл. МПК G05B 23/02, дата публ. 20.10.2007), включающий блок управления и индикации, блок дискретных команд, ЭВМ, блок нормализации аналоговых сигналов, блок моделей датчиков, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, блоки регистров, блок моделей исполнительных механизмов, блок исполнительных механизмов, блок дополнительных датчиков, блок имитации короткого замыкания и холостого хода, блок коммутации, блок имитации бортсети, блок управления воздушной системой, воздушную систему, двунаправленные шины обмена информацией. Недостатками устройства является невозможности тестирования интеллектуальных функций станций управления, регулирования параметров работы на основании работы заложенных в станцию управления алгоритмов.

Известен стенд для испытания системы автоматического управления двигательными установками (патент РФ № 2063622, кл. МПК G05B 15/14 G05B 15/00, дата публ. 07.10.1996), включающий цифровую информационную модель тестируемого оборудования, выход которой мультиплексным каналом информационного обмена соединен с натурной силовой установкой, которая посредством мультиплексного канала информационного обмена соединена с полунатурной моделью и информационными буферными моделями двигательных установок. Недостатками системы является замена буферными моделями силовых установок, при этом диагностика изменения в работе всех силовых установок не предполагается как возможная функция.

Известен способ разработки и испытания системы автоматического управления и мобильный стенд для тестирования электронной системы управления (патент РФ №2755027, МПК G05B 23/00, опубл. 09.10.2021), содержащий электронный регулятор, /имитаторы исполнительных механизмов с цифровыми модулями, программно-аппаратный имитатор работы сложного технического объекта с математической моделью, имитаторы датчиков, блок имитации разрывов и коротких замыканий линий связи с обеспечением работы в режиме реального времени. Недостатком данной разработки является полностью цифровая модель оборудования, поскольку не все технологические процессы подробно и качественно описаны для формирования корректных входных сигналов для выполнения тестирования.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и указанному техническому результату является способ и система автоматизации тестирования программного обеспечения (заявка РФ №2013126869, дата публ. 20.12.2014, кл.МПК G06F 11/36), включающая одно устройство пользователя и/или тестировщика, по крайней мере одну базу данных, по крайней мере одну базу тестов и программно-аппаратный комплекс, выполненный с возможностью тестирования программного обеспечения по составленным планам тестирования посредством интерактивного взаимодействия тестировщика с пользовательским интерфейсом тестируемого программного обеспечения, а также с возможностью записи указанных действий пользователя в автоматическом режиме в заранее заданных терминах уровня бизнес-логики тестируемого программного обеспечения, сохраняя результаты в базе тестов в качестве тестовых сценариев, а также с возможностью осуществления верификации по каждому тестовому сценарию, сравнивая «Эталонные изменения» и «Фактические изменения» и сохраняя результаты сравнения в базе тестов. Недостатком данной системы является невозможность использования ее при тестировании станций управления технологическим процессом добычи нефти.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей изобретения является тестирование станции управления с интеллектуальными функциями, управляющей процессом добычи нефти, с реализацией возможности создания нагрузки на одну или несколько моделей скважины с целью оценки корректности работы заданных интеллектуальных алгоритмов тестируемой станции управления.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в повышении эффективности работы станции управления с интеллектуальными функциями, управляющей процессом добычи нефти, в частности, в условиях, осложняющих эксплуатацию скважин, за счет предложения мероприятий по  устранению осложнений в скважине.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что система тестирования станции управления с интеллектуальными функциями, управляющая процессом добычи нефти включает пульт управления оператора, содержащий компьютерное программное обеспечение системы измерения и управления технологическим процессом, связанный каналом передачи информации с тестируемой станцией управления, включает модуль управления скважиной, связанный каналом приема информации с тестируемой станцией управления, а также включает модель скважины, которая содержит нагрузочный двигатель, соединенный с нагружаемым погружным электродвигателем для имитации работы электроприводного центробежного насоса добычи нефти, далее соединенный кабельной линией с повышающим трансформатором, или модель скважины содержит две спарки асинхронных двигателей, установленных на одном валу для имитации работы штанговой скважинной насосной установки для добычи нефти, при этом, модель скважины включает также модель имитации сигналов гидравлической системы, при этом система тестирования станции управления включает также канал передачи информации с пульта управления оператора на модуль управления скважиной, имитирующий параметры работы модели скважины; канал связи для передачи данных измерительных систем оборудования модели скважины на модуль управления скважиной; канал связи передачи данных с измерительных систем оборудования модели скважины на пульт управления оператора; канал связи для передачи задания нагрузки от пульта управления оператора на модель скважины, при этом, компьютерное программное обеспечение автоматизированной системы управления пульта управления оператора, предназначенное для управления процессом тестирования станции управления, включает микросервис «хаб» в тестовой конфигурации; микросервис логирования; веб-сервер в составе: системное программное обеспечение; прикладные библиотеки; прикладное программное обеспечение, при этом, на отладочной плате развернуто и запущено программное обеспечение в составе: ядро реального времени MexBIOS с прикладным ПО, имитирующим технологический процесс; микросервис «хаб», микросервис синхронизации RT и «хаб», при этом на ноутбуке оператора управления установлено: Python, версия 3.9.2, в т.ч. библиотеки связи с «хаб» и библиотека «tensorflow»; скрипты Python, имитирующие потоки данных с различных источников; веб-браузер.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлена система тестирования станции управления с интеллектуальными функциями, управляющей технологическим процессом добычи нефти с использованием электроприводного центробежного насоса. На Фиг. 2 представлена система тестирования станции управления с интеллектуальными функциями, управляющей технологическим процессом добычи нефти с использованием штангового глубинного насоса.

Осуществление изобретения

Система тестирования станции управления с интеллектуальными функциями, управляющей процессом добычи нефти, включает тестируемую станцию управления (ТСУ) 1; модуль управления скважиной 2, связанный кабельным каналом передачи информации 3 с ТСУ 1; пульт управления оператора 4, включающий компьютерное программное обеспечение системы измерения и управления технологическим процессом, связанный кабельным каналом передачи информации 5 с ТСУ1; кабельный канал передачи информации 6 с пульта управления оператора 4 на модуль управления скважиной 2, имитирующий параметры работы модели скважины 8 с электроприводным центробежным насосом; кабельный канал связи 7 для передачи задания нагрузки от пульта управления оператора 4 к модели скважины 8, включающей модель имитации сигналов гидравлической системы и вспомогательного технологического оборудования, а также включающей нагрузочный двигатель 9 мощностью 90 кВт, соединенный муфтовым соединением с датчиком крутящего момента с нагружаемым погружным электродвигателем 10 мощностью 90 кВт, который далее соединен кабельной линией с повышающим трансформатором 11; кабельный канал связи 12 для передачи данных измерительных систем оборудования модели скважины 8 на модуль управления скважиной 2; кабельный канал связи 13 передачи данных с измерительных систем оборудования модели скважины 8 на пульт управления оператора 4.

Система тестирования станции управления может включать модель скважин со штанговым глубинным насосом (ШГН) 14 (Фиг.2), включающую модель имитации сигналов гидравлической системы и вспомогательного технологического оборудования, и включающую две спарки асинхронных двигателей 15 мощностью 45 кВт, установленных на одном валу для имитации работы штанговой скважинной насосной установки для добычи нефти; канал передачи данных 16 с измерительных систем модели скважины ШГН 14, через канал 13, на пульт управления оператора 4; канал передачи данных 17 с измерительных систем модели скважины ШГН 14 на модели управления скважиной 2.

Компьютерное программное обеспечение автоматизированной системы управления пульта оператора 4, предназначенное для управления процессом тестирования станции управления 1, позволяющем в реальном времени отслеживать параметры работы станции управления 1 и параметры работы моделируемых насосных установок модели скважины 8 и модели скважины 14, включает микросервис «хаб» в тестовой конфигурации; микросервис логирования; веб-сервер в составе: системное программное обеспечение; прикладные библиотеки; прикладное программное обеспечение. На отладочной плате развернуто и запущено программное обеспечение в составе: ядро реального времени MexBIOS с прикладным ПО, имитирующим технологический процесс; микросервис «хаб», микросервис синхронизации RT и «хаб». На ноутбуке оператора установлено: Python, версия 3.9.2, в т.ч. библиотеки связи с «хаб» и библиотека «tensorflow»; скрипты Python, имитирующие потоки данных с различных источников; веб-браузер.

Модель имитации сигналов гидравлической системы и вспомогательного технологического оборудования, представляющая собой элемент программного обеспечения системы тестирования станции управления, входящего в состав моделей скважин 8 и 14, выполненная в виде небольшого компьютера с программным обеспечением и установленная внутри модели скважин, позволяет оценивать влияние регулирующих функций станции управления 1 на систему сбора продукции скважин (на рисунке не показано) и корректность управляющих сигналов, воздействующих на вспомогательное оборудование, размещенное на кусту скважин.

Регулирующие функции станции управления 1 учитывают программным обеспечением, установленным на пульте оператора 4, после чего изменяют данные, направляемые на модель управления скважиной по каналу 6. Изменение параметров работы моделей скважины 8 и 14 происходит за счет работы специализированного программного обеспечения, производящего расчет параметров работы скважины при заданных входных данных. Например, увеличение частоты работы насосов (ЭЦН, ШГН) приводит к изменению их характеристик, что, в итоге, приводит к изменению дебита скважины и динамического уровня, что может быть рассчитано по известным физическим зависимостям.

Работу системы тестирования станции управления с интеллектуальными функциями реализуют следующим образом:

тестируемую станцию управления 1 подключают к модулю управления скважиной (МУС) 2 каналом передачи информации 3, и к программному обеспечению компьютера пульта управления оператора 4 через канал связи 5. На основании созданного архива работы оборудования добывающих скважин, находящегося в базах данных ПК оператора 4, в модуле управления скважиной 2, по каналу связи 6, имитируют работу модели скважины 8, оборудованной ЭЦН (Фиг.1) или модели скважины 14 с ШГН (Фиг.2).

После имитированного выхода модели скважины 8 (Фиг.1) на режим, по каналу связи 7 производят отклонение от установившегося режима работы модели скважины 8 путем передачи задания нагрузки от пульта управления оператора 4 к элементам модели скважины 8 - на нагрузочный двигатель 9, и далее на нагружаемый погружной электродвигатель 10 и трансформатор 11. Информацию об изменении условий работы модели скважины 8 по каналу связи 12 передают в модуль управления скважины 2, и затем, по каналу 3, в программное обеспечение тестируемой станции управления 1, а также, по каналу 13 на пульт управления оператора 4.

После имитированного выхода модели скважины 14 (Фиг.2) на режим, по каналу связи 7 производят отклонение от установившегося режима работы модели скважины 14 путем передачи задания нагрузки от пульта управления оператора 4 к элементам модели скважины 14 - на спарку асинхронных двигателей 15.

Информацию об изменении условий работы модели скважины 14 по каналу связи 17 передают в модули управления скважины 2, и затем, по каналу 3, в программное обеспечение тестируемой станции управления 1, а также, по каналам 16 и 13 на пульт управления оператора 4.

Тестируемая станция управления 1 анализирует полученную информацию и, по каналу 5, направляет на пульт управления оператора 4 предлагаемые мероприятия для восстановления оптимального режима работы моделей скважин 8 с ЭЦН или 14 с ШГН.

Программное обеспечение пульта управления оператора 4, позволяющее в реальном времени отслеживать параметры работы станции управления 1 и текущие параметры работы элементов модели скважины 8 или 14, полученные по каналу связи 13, производит тестирование действий станции управления 1.

Результатом тестирования является уровень соответствия мероприятий по восстановлению оптимального режима работы моделей скважин 8 или 14, предлагаемые тестируемой станцией управления 1, с информацией по устранению аналогичных отклонений в соответствии с историческими данными базы данных, заложенной в программном обеспечении на пульте управления оператора 4.

Примеры тестирования станции управления для скважин с ЭЦН с целью определения зависимости параметров работы нефтепромыслового оборудования от факторов, осложняющих эксплуатацию скважин, приведены в Таблице.

Таблица

№ п/п Осложнение Требования к параметру Результат тестирования Вид Изменяемый параметр работы скважины Моделируемое значение Нормальные условия Определение осложнения Предложенное ТСУ действие по борьбе с осложнением Соответствие решения оптимальному решению по опыту эксплуатации объекта 1. Образование органических отложений Увеличение температуры погружного двигателя 37° С
39° С
42° С
44° С
46° С
48° С 37° С -
-
-
-
-
+ Включение греющей кабельной линии соответствует 2. Образование эмульсии Увеличение давления в системе 0,7 МПа
0,8 МПа
0,9 МПа 0,7 МПа -
-
+ Запуск установки блочной подачи реагентов (УБПР) с подачей деэмульгатора соответствует 3. Негерметичность насосно-компрессорных труб (НКТ) Падение дебита скважины 23 м³/сут
20 м³/сут
18 м³/сут
16 м³/сут
14 м³/сут
12 м³/сут
10 м³/сут 23 м³/сут -
-
-
-
-
-
+ Отключение скважины. Запуск для контрольного замера дебита. Вызов бригады. соответствует 4. Высокий газовый фактор Отключение двигателя по недогрузу + - + Снижение дебита. Оповещение о необходимости смены глубины подвески насоса соответствует

Например, после имитированного выхода на режим модели скважины 8 по каналу связи 7 моделируют ситуацию отклонения от установившегося режима модели скважины 8, например, при которой образование органических осложнений в скважине привело к увеличению температуры погружного двигателя насосного оборудования до 48°С при предельно допустимой температуре 37°С (п.1 Таблицы) путем передачи задания нагрузки от пульта управления оператора 4 на нагрузочный двигатель 9, погружной электродвигатель 10 и трансформатор 11 технической модели скважины 8. Информацию об изменении условий работы модели скважины 8 по кабельному каналу связи 12 передают в модуль управления скважины 2, затем по кабельному каналу 3, в программное обеспечение тестируемой станции управления 1, а также на пульт управления оператора 4. Тестируемая станция управления 1 анализирует полученную информацию и по каналу 5 направляет на пульт оператора предлагаемые мероприятия для восстановления оптимального режима работы модели скважины 8. В данном примере предложением тестируемой станции управления 1 по борьбе с осложнением является включение греющей кабельной линии. При этом результат тестирования совпадает с информацией по устранению аналогичного отклонения, имеющейся в исторических базах данных, заложенных на пульте управления оператора.

Моделирование работы осложнений, приведенных в Таблице, сопровождали увеличением либо снижением нагрузки на погружной электродвигатель 10 модели скважины 8 (Фиг.1), в диапазоне, соответствующем историческим данным о работе оборудования.

Помимо изменения параметра работы модели скважины 8, на ТСУ 1 подавали информацию о виде осложнения на скважине, к которым, кроме приведенных в Таблице, относятся засорение рабочих органов смесью механических примесей и АСПО, рост газосодержания на приеме ЭЦН, циркуляция скважинной продукции через негерметичный клапан или лифт НКТ и др. Моделирование таких осложнений производят, например, изменением параметров работы электродвигателя, снижением диаметра НКТ и т.д. Результатом испытания тестируемой станции управления 1 является проверка корректности работы уставок (граничных значений безопасной работы системы), правильность работы алгоритмов оптимизации работы скважин и реализация интеллектуальных функций, приводящие к предложению соответствующих мероприятий по предотвращению аварийных ситуаций в работе нефтепромыслового оборудования в условиях, осложняющих эксплуатацию скважин.

Прошедшая тестирование станция управления с интеллектуальными функциями, управляющая процессом работы нефтедобывающего оборудования, позволяет снижать затраты за счет оптимизации работ основного и вспомогательного технологического оборудования, расхода химреагентов, затрат на простой и обслуживание нефтедобывающего оборудования.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для тестирования и диагностики станций управления технологических процессов добычи нефти. Система тестирования станции управления (ТСУ) с интеллектуальными функциями, управляющей процессом добычи нефти, включает модуль управления скважиной 2, связанный каналом передачи информации 3 с ТСУ 1; пульт управления оператора 4, включающий компьютерное программное обеспечение системы измерения и управления технологическим процессом, связанный каналом передачи информации 5 с ТСУ1; канал передачи информации 6 с пульта управления оператора 4 на модуль управления скважиной 2, имитирующий параметры работы модели скважины 8; канал связи 7 для передачи задания нагрузки от пульта управления оператора 4 к модели скважины 8, включающей модель имитации сигналов гидравлической системы и вспомогательного технологического оборудования, а также включающей нагрузочный двигатель 9 мощностью 90 кВт, соединенный муфтовым соединением с датчиком крутящего момента с нагружаемым погружным электродвигателем 10 мощностью 90 кВт, который далее соединен кабельной линией с повышающим трансформатором 11; канал связи 12 для передачи данных измерительных систем оборудования модели скважины 8 на модуль управления скважиной 2; канал связи 13 передачи данных с измерительных систем оборудования модели скважины 8 на пульт управления оператора 4. Технический результат - повышение надежности работы станции управления технологическим процессом добычи нефти. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Система тестирования станции управления с интеллектуальными функциями, управляющей процессом добычи нефти, включающая пульт управления оператора, содержащий компьютерное программное обеспечение системы измерения и управления технологическим процессом, связанный каналом передачи информации с тестируемой станцией управления, отличающаяся тем, что включает модуль управления скважиной, связанный каналом приема информации с тестируемой станцией управления, которая также включает модель скважины для имитации работы электроприводного центробежного насоса добычи нефти, содержащую нагрузочный двигатель, соединенный с нагружаемым погружным электродвигателем, далее соединенный кабельной линией с повышающим трансформатором, или модель скважины содержит две спарки асинхронных двигателей, установленных на одном валу, для имитации работы штанговой скважинной насосной установки для добычи нефти, при этом модель скважины включает также модель имитации сигналов гидравлической системы,

при этом система тестирования станции управления включает также канал передачи информации с пульта управления оператора на модуль управления скважиной, имитирующий параметры работы модели скважины; канал связи для передачи данных измерительных систем оборудования модели скважины на модуль управления скважиной; канал связи передачи данных с измерительных систем оборудования модели скважины на пульт управления оператора; канал связи для передачи задания нагрузки от пульта управления оператора на модель скважины.

2. Система тестирования станции управления по п.1, отличающаяся тем, что компьютерное программное обеспечение автоматизированной системы управления пульта управления оператора, предназначенное для управления процессом тестирования станции управления, позволяющее в реальном времени отслеживать параметры работы тестируемой станции управления и параметры работы моделируемых насосных установок моделей скважин, включает микросервис «хаб» в тестовой конфигурации; микросервис логирования; веб-сервер в составе: системное программное обеспечение; прикладные библиотеки; прикладное программное обеспечение, при этом на отладочной плате развернуто и запущено программное обеспечение в составе: ядро реального времени MexBIOS с прикладным ПО, имитирующим технологический процесс; микросервис «хаб», микросервис синхронизации RT и «хаб», при этом на ноутбуке оператора установлено: Python, версия 3.9.2, в т.ч. библиотеки связи с «хаб» и библиотека «tensorflow»; скрипты Python, имитирующие потоки данных с различных источников; веб-браузер.