В статье описана автоматизированная система установки комплексной подготовки газа, внедрённая и используемая на газоконденсатном промысле ООО «Севернефть-Уренгой» (г. Новый Уренгой). АСУ ТП создана на базе современных аппаратных средств с использованием отказоустойчивой системы автоматизации S7-400H фирмы Siemens и SCADA-системы WinCC 6.0.
Полное наименование объекта, описанного в данной статье, – установка комплексной подготовки газа (УКПГ). УКПГ разработана и изготовлена ЗАО НТК «Модульнефтегазкомплект» (г. Уфа). Рабочий проект привязки выполнен ООО НИПФ «ТЭРМ» (г. Тюмень). Внешний вид установки показан на рис. 1.
Она была введена в эксплуатацию в 2007 году. Расположена на территории Ямало-Ненецкого автономного округа (среднегодовая температура воздуха минус 7,8°С, среднемесячная температура воздуха наиболее холодного месяца января минус 26,4°С, а самого жаркого месяца июля – плюс 15,4°С, абсолютный минимум минус 56°С, абсолютный максимум плюс 34°С).
Установка предназначена для:
Закачка товарного конденсата производится в автоцистерны при помощи автоматической системы налива. Товарный газ подаётся в трубопровод ОАО «Сургутгазпром» при помощи дожимной компрессорной станции (ДКС), находящейся на территории УКПГ.
Подготовка газа производится за счёт низкотемпературной сепарации газа (эжекции) и расширения в сепараторах.
На установке подготовки газа реализованы следующие процессы:
Все технологические объекты соединены внутриплощадочными трубопроводами, линиями автоматизации, управления и электроснабжения. Коммуникации проложены на опорах, трубопроводы теплоизолированы, а трубопроводы сброса с предохранительных клапанов, продувки и дренажа аппаратов дополнительно обогреваются электрически. Основное технологическое оборудование установки комплексной подготовки газа размещено на открытой площадке с твёрдым покрытием.
Продукция с кустов скважин газоконденсатных месторождений лицензионного участка ООО «Севернефть-Уренгой» поступает на УКПГ через блок входных манифольдов, который позволяет осуществлять подключение и отключение кустов скважин от УКПГ, а также продувку шлейфов. На входных трубопроводах установлены первичные и вторичные приборы контроля температуры и давления. Из блока входных манифольдов с кустов газоконденсатных скважин газожидкостная смесь поступает двумя потоками на вход установки во входные сепараторы С-1 и С-2. В этих трёхфазных сепараторах из газового потока отделяется жидкая фаза – газовый конденсат и водно-метанольный раствор. Очищенный от капельной жидкости газ входных сепараторов через узел измерения и регулирования подаётся в теплообменные аппараты, где охлаждается потоком подготовленного газа. Выделившаяся жидкая фаза отделяется в дополнительно установленном сепараторе С-7. После сепаратора С-7 газ через узел регулирования с давлением 2,5 МПа поступает в выходной трёхфазный сепаратор С-3, в котором происходит окончательная очистка газа от капельной жидкости. Очищенный в С-3 от капельной жидкости газ направляется в теплообменники АТ 1…4 на рекуперацию (возврат) холода входному потоку газа. Поток газа после АТ подаётся на площадку узла переключения потоков и далее на ДКС. Учёт газа, подаваемого в магистральный трубопровод, осуществляется на узле коммерческого учёта газа. Часть очищенного от капельной жидкости газа из сепаратора С-3 направляется в блок измерения и регулирования (БИР) расхода газа на собственные нужды.
Отстоявшаяся тяжёлая жидкая фаза (водно-метанольный раствор) из трёхфазных сепараторов С-1 и С-2 через клапанную сборку подаётся в ёмкость метанола ЕМ-1. Газовый конденсат (отстоявшаяся лёгкая жидкая фаза) из трёхфазных сепараторов С-1 и С-2 направляется в блок разгазирования конденсата высокого давления трёхфазного сепаратора С-4 и далее через концевую сепарационную установку в резервуарный парк. Отгрузка газоконденсата из резервуаров осуществляется в автоцистерны при помощи автоматической системы налива.
Для автоматизации технологического процесса УКПГ необходимы датчики, позволяющие осуществлять дистанционный контроль температуры, давления, расхода газа и жидкостей, а также исполнительные устройства, с помощью которых производится регулирование уровней жидкости и давления газа в технологических аппаратах.
В качестве первичных измерительных преобразователей системы автоматизации УКПГ используется следующее оборудование:
Широкое использование приборов с поддержкой протокола HART позволяет проводить настройку и диагностику приборов при помощи HART-коммуникаторов непосредственно от шкафов управления. Это ускоряет как обнаружение неисправностей полевого оборудования, так и восстановление работоспособности системы.
Для определения характеристик подготовленного газа используется интерференционный анализатор точек росы «КОНГ-Прима-10» производства НПО «Вымпел». Данный прибор осуществляет непрерывный контроль основных параметров природного газа – влагосодержание и содержание тяжёлых углеводородов. В интерференционном анализаторе точек росы реализован конденсационный принцип измерения с регистрацией процессов конденсации оптическим методом. Сущность метода заключается в измерении температуры, до которой необходимо охладить прилегающий к охлаждаемой поверхности слой влажного газа, для того чтобы довести его до состояния насыщения при рабочем давлении. В состав «КОНГ-Прима-10» входят первичный преобразователь (преобразователь точки росы – ПТР) и вторичный блок, осуществляющий общее управление анализатором. Вторичный блок установлен в шкафу системы контроля загазованности и выдаёт температуру точки росы по воде и по углеводородам в виде сигналов 4…20 мА на аналоговых выходах.
В связи с взрыво- и пожароопасностью объекта большое внимание при проектировании уделялось системе контроля загазованности. Из-за большой площади, занимаемой УКПГ, и отсутствия удалённых станций децентрализованной периферии основным датчиком загазованности, устанавливаемым на открытых площадках, был выбран газоанализатор СГОЭС производства ЗАО «Электростандарт-при-бор». Данный датчик, кроме унифицированного выходного сигнала 4…20 мА, имеет также интерфейс RS-485 с поддержкой протокола Modbus RTU. Использование интерфейса RS-485 позволило значительно сократить длину кабельных линий. Также весомым фактором при выборе данного датчика стал его широкий диапазон рабочих температур от –60 до +85°С. Все датчики были разделены на три группы по территориальному принципу. Подключение каждой группы выполнено посредством шлейфа, состоящего из информационного кабеля МКЭКШВ и кабеля КВВГ, подающего питание 24 В.
В блоках подачи метанола и блоках насосных установлены детекторные блоки датчиков загазованности ГСМ-05, произведённые НПП «Томская электронная компания».
Общее число шкафов автоматики АСУ ТП УКПГ – 4, все они находятся в помещении операторной установки. Оборудование распределено по шкафам в соответствии с функциональным назначением:
Каждый шкаф автоматики также содержит развязывающие реле, клеммные колодки, источники питания. Высокой надёжности работы оборудования способствует применение источников бесперебойного питания (компания APC). Все шкафы и конструктивные элементы производства фирмы Rittal. Фотографии основных шкафов описываемой системы приведены на рис. 2.
Система автоматизации УКПГ имеет классическую трёхуровневую структуру (рис. 3). На верхнем уровне располагаются серверы и рабочая станция, на среднем – контроллер системы S7-400H, на нижнем – датчики и исполнительные механизмы.
В качестве основы при проектировании АСУ ТП УКПГ была выбрана система автоматизации S7-400H, удовлетворяющая высоким требованиям по коэффициенту готовности, интеллектуальности и децентрализации, которые предъявляются к современным системам автоматизации. Кроме того, она предоставляет все необходимые функции для сбора и подготовки данных процесса, а также для управления, регулирования и контроля агрегатов и подсистем. Система автоматизации S7-400H и все остальные компоненты SIMATIC согласованы друг с другом. Полная универсальность в масштабах системы от пункта управления до датчиков и исполнительных устройств является само собой разумеющейся и гарантирует максимальную производительность системы.
В целях обеспечения высокой надёжности и постоянной готовности к функционированию в систему S7-400H заложен принцип резервируемости. Это означает, что все её существенные компоненты могут быть дублированы. В нашем случае достаточно было обойтись минимальным набором дублируемых компонентов:
Модули ввода-вывода не дублируются, так как это неоправданно увеличило бы стоимость АСУ ТП. Технологический процесс допускает выход из строя отдельных модулей ввода-вывода из состава ET200M. На этот случай имеется набор резервных модулей ввода-вывода, позволяющий достаточно быстро заменить любой отказавший модуль без угрозы останова технологического процесса.
Исходя из данных условий и требований, оптимальной была признана одноканально коммутируемая структурная форма периферии. Реализация такой формы возможна на базе устройства децентрализованной периферии ET200M, имеющего активную шину на объединительной плате (backplane bus) и резервный подчинённый (slave) интерфейсный модуль PROFIBUS DP – IM 153-2. Когда система находится в режиме резервирования, к модулям ввода-вывода могут обращаться обе подсистемы. В одиночном режиме главная подсистема всегда может обращаться ко всей коммутируемой периферии. Каждая подсистема S7-400H соединена с одним из двух slave-интерфейсов PROFIBUS DP устройства ET200M (через главный интерфейс PROFIBUS DP).
Блок Y-образного подключения (Y-Link) является шлюзом между резервированной ведущей системой PROFIBUS DP на базе S7-400H и нерезервированной ведущей системой PROFIBUS DP. Он позволяет подключать устройства, имеющие лишь один интерфейс PROFIBUS DP, к системе S7-400H в качестве коммутируемых систем ввода-вывода. Через Y-Link к резервируемой системе S7-400H подсоединяется одноканальная master-система PROFIBUS DP для связи с регулирующими электроприводами фирмы Auma.
Использование в качестве регулирующей аппаратуры приводов с интерфейсом PROFIBUS DP создаёт условия для уменьшения требуемой длины кабельных линий. Все электроприводы соединяются последовательно одним кабелем. Использование интерфейса PROFIBUS позволяет с программатора при помощи пакета STEP7 (рис. 4) задавать параметры работы каждого клапана (чувствительность, временны́е характеристики, действия электропривода при возникновении какой-либо ошибки). Также по интерфейсу PROFIBUS передаётся полная диагностическая информация о каждом клапане (рис. 5), содержащая коды отказов электропривода и полную информацию о его текущем состоянии.
В качестве основного сервера верхнего уровня АСУ ТП применяется промышленный IBM PC совместимый компьютер IPC-510-SYS1-4 компании Advantech с установленной операционной системой Windows XP.
В качестве приложения визуализации и сбора данных используется программный пакет SIMATIC WinCC 6.0, так как именно эта система человеко-машинного интерфейса (HMI) позволяет без лишних усилий использовать все возможности взаимодействия с контроллерами SIMATIC S7 (быстрый и резервированный канал обмена, обработка диагностических сообщений, выдаваемых непосредственно контроллером).
Верхний уровень реализован по технологии клиент–сервер и представлен основным сервером WinCC, клиентской рабочей станцией, а также резервным сервером. Резервный сервер по совместительству является и рабочей станцией, то есть предназначен для взаимодействия с технологическим персоналом. Основной же сер-вер организационно не предназначен для штатной работы на нём операторов.
Изначально была запроектирована схема с одним АРМ оператора. Но в процессе пусконаладки выявились следующие недостатки такой схемы:
в связи с запуском технологической установки до завершения процесса пусконаладки оборудования было неудобно совмещать на одном АРМ и наблюдение за технологическим процессом, и отладку аппаратного/ программного обеспечения;
в случае зависания программного обеспечения или выхода из строя аппаратных компонентов системного АРМ процесс восстановления работоспособности непозволительно затягивался;
процесс опытной эксплуатации выявил необходимость обеспечения возможности одновременного просмотра нескольких мнемосхем технологического процесса.
На основании этих замечаний было принято решение о закупке дополнительных рабочих станций. Одна станция выполняет функции резервного сервера WinCC, вторая является клиентским АРМ для основного сервера.
В случае долговременного сбоя основного сервера на клиентском АРМ запускается клиентское приложение, использующее данные резервного сервера.
Набор возможностей, предоставляемых системой WinCC, обычен для современных SCADA-систем: графическое отображение технологического процесса и его параметров, обеспечение управления процессом со стороны операторов, оповещение оператора о критическом состоянии процесса, архивирование текущих данных процесса и сообщений о событиях.
Мнемосхемы отображения технологического процесса разбиты по функциональному назначению: «НТС» (низкотемпературная сепарация, рис. 6), «БИР» (блок измерительно-регулирующий, рис. 7), «Загазованность» (система контроля загазованности, рис. 8) и т.д.
Для удобства обслуживания АСУ ТП специалистами службы КИПиА была разработана мнемосхема «СУ» (станция управления, рис. 9).
Эта мнемосхема отображает состояние всех модулей ввода-вывода, позволяет получать диагностическую информацию как по всему модулю, так и поканально (для аналоговых модулей). Для дискретных модулей можно задавать логику срабатывания входа-выхода (нормально разомкнутый или замкнутый сигнал); кроме того, есть возможность блокировать как входной, так и выходной сигналы (так называемое маскирование).
Серверное приложение в дополнение к своим основным функциям также обменивается данными с другими технологическими серверами (сервер телеметрии газопровода, сервер телеметрии газоконденсатного промысла, сервер дожимной компрессорной станции), являясь одновременно и OPC-сервером, и OPC-клиентом.
В процессе эксплуатации оборудование АСУ ТП УКПГ показало себя надёжным и удобным в использовании. Возникающие неисправности и отказы оборудования легко диагностируются. Использование отказоустойчивого контроллера S7-400H позволяет заменять и добавлять новые компоненты системы, вносить изменения в программу контроллера и аппаратную конфигурацию, не допуская останова технологического процесса.
В целом архитектура АСУ ТП позволила эксплуатирующему персоналу уже после завершения пусконаладочных работ провести ряд мероприятий, расширяющих функциональность системы:
E-mail: KamskyPaul@gmail.com
Экономика профилактики: использование Интернета вещей для планирования профилактического обслуживания оборудования
Машины, а точнее, сложные высокотехнологичные установки – станки или другое технологическое оборудование для любой промышленной отрасли представляют собой ценные активы, которые необходимо защищать от повреждений, неисправностей и отказов с помощью надлежащих мер по техническому обслуживанию. В этой статье будет рассмотрен один из примеров создания системы, автоматически контролирующей состояние и время работы машин с последующей отправкой уведомлений о графике профилактического технического обслуживания (ПТО). 23.04.2024 СТА №2/2024 427 0 0Блок управления для исполнительных устройств в оптическом тракте лазерной системы
В статье представлен блок управления для исполнительных устройств в оптическом тракте лазерной системы. Приведены решения на аппаратном и программном уровнях, обоснован выбор средств автоматизации. 23.04.2024 СТА №2/2024 332 0 0Построение цифрового двойника склада металлопроката с использованием искусственной нейронной сети
Изложены методика и результаты эксперимента по применению искусственной нейронной сети для отслеживания перемещений продукции металлопроката на территории цеха. Приведены преимущества такого способа организации цифрового двойника склада. 23.04.2024 СТА №2/2024 306 0 0Горячее резервирование с MasterSCADA 4D и ПЛК Regul R500 на примере АСУ ТП для авиатопливных комплексов
В статье представлено решение для автоматизированного контроля и управления технологическими объектами склада одного из технологических лидеров российской авиатопливной отрасли. Система построена на базе ПЛК REGUL500 с поддержкой горячего резервирования центральных процессоров и программной платформе MasterSCADA 4D с поддержкой резервирования серверов, работы рантайм на операционной системе Astra Linux и синхронизацией данных на программном уровне. Эти составляющие, а также опыт сертифицированного интегратора ООО «ЛИТЭК», позволили создать отказоустойчивую систему управления повышенной надёжности в полном соответствии с современными требованиями стратегии цифровой трансформации. 23.04.2024 СТА №2/2024 441 0 0