Реферат: Автоматизация процесса бурения

--PAGE_BREAK--Необходимое условие качественного решения задачи автоматического управления процессом бурения – получение информации о состоянии процесса с требуемой оперативностью и точностью. Требуемая оперативность получения информации определяется необходимостью управления процессом в реальном масштабе времени, т. е. управляющие воздействия должны сформироваться без запаздывания (или с допустимым запаздыванием) относительно изменений состояния управляемого процесса. Это обеспечивается тем, что технологические параметры должны измеряться с частотой, оптимальной для временных характеристик процесса бурения, к которым относятся длительность переходных процессов в приводе подаче бурового станка, инерциальные свойства буровой колонны, нестационарный характер процесса. Кроме того, временные характеристики существенно зависят от геолого-технических  условий бурения: глубины скважины, физико-механических свойств разбуриваемых пород, типов бурильных труб и компоновки бурильной колонны, свойств очистного агента, режима промывки скважины и т.п. Расчет точных временных характеристик возможен лишь на основе адекватного математического описания процесса бурения (модели), определяющего не только качественные, но и точные количественные  зависимости входных и выходных переменных, характеризующих процесс бурения, для конкретных геолого-технических условий.
Однако существующие в настоящее время математические описания процесса бурения имеют качественный характер и позволяют лишь достаточно приблизительно оценить (от единиц до нескольких  десятков секунд) временные характеристики процесса бурения. Эта оценка также подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Таким образом, временные характеристики процесса бурения, а следовательно, и частота опроса параметров, не могут быть точно определены на основании расчетов. На данном этапе развития автоматизированного управления процессом бурения целесообразно рассматривать период опроса параметров как технологическую константу, конкретное значение которой для определенных условий устанавливают экспериментальным путем по соответствующим методикам.

По данным экспериментальных исследований и испытаний, при бурении различными буровыми установками (СКБ-4, 5, 8, ЗИФ-650) скважин глубиной  100-300 м при периоде опроса параметров с   <img width=«88» height=«25» src=«ref-1_477871051-296.coolpic» v:shapes="_x0000_i1069"> обеспечиваются вполне удовлетворительное качество стабилизации  режимных параметров  бурения, своевременная и эффективная реакция на изменения процессов и ликвидация аномальных технологических ситуаций в начальных стадиях их развития. При таких больших периодах опроса параметров невозможен анализ высокочастотных процессов в бурении, например, вибраций, диапазон которых составляет, по различным оценкам, от сотен герц до десятков килогерц. Для реализации опроса параметров с такими высокими частотами необходимы специальные технические средства и сложный математический аппарат обработки измерений. Поэтому в настоящее время целесообразно  проводить специальные исследования высокочастотных процессов в бурении и формировать по их результатам рекомендации по управлению режимами бурения, например, в виде системы ограничений.

Для целей управления режимами бурения в реальном масштабе времени  возможно ограничиться  решением задачи формирования временного ряда измерений (тренда), который адекватен реальным закономерностям изменения состояния процесса бурения, позволяющего обнаруживать взаимозависимости изменения параметров и прогнозировать тенденции изменения состояния процесса. Качество формирования тренда каждого параметра бурения также определяется точностью измерений отдельных точек (мгновенных значений), составляющих тренд.

Процедура получения мгновенного значения параметра, представляющего собой непрерывный электрический сигнал, заключается в квантовании этого сигнала по уровню, которое состоит в том, что в диапазоне непрерывных значений функции l(t)выбирается конечное число дискретных значений функции, распределенных, например, равномерно по всему диапазону. В момент измерения значения функции l(t)  заменяется значением ближайшего  дискретного уровня. Функция при этом приобретает  ступенчатый вид (рис. номер ). При квантовании возникает погрешность квантования, определяемая шагом квантования <img width=«36» height=«23» src=«ref-1_477871347-218.coolpic» v:shapes="_x0000_i1070">. При равномерном  квантовании по уровню максимальное значение приведенной погрешности квантования

<img width=«257» height=«55» src=«ref-1_477871565-615.coolpic» v:shapes="_x0000_i1071">

где <img width=«108» height=«24» src=«ref-1_477872180-298.coolpic» v:shapes="_x0000_i1072"> — диапазон изменения параметра; (q-1) – число интервалов (шагов) квантования,  q-1=(<img width=«49» height=«24» src=«ref-1_477872478-242.coolpic» v:shapes="_x0000_i1073">).

Однако основная проблема заключается в выделении полезного сигнала на фоне случайных помех, источник которых не измерительные тракты, а стохастические возмущения, возникающие в  процессе бурения и являющиеся следствием изменяющихся условий бурения и нестабильности работы бурового оборудования. Задача состоит в формировании измерения требуемого параметра  бурения в определенный  момент времени таким образом, чтобы совокупность этих измерений отражала закономерное изменение данного параметра  в пределах анализируемого временного интервала. В разрабатываемой настоящим дипломе системе указанная проблема решается следующим образом:







--PAGE_BREAK--Глава 4. Разработка принципиальной схемы устройства связи персонального компьютера с объектом автоматизации.

4.1 Описание автоматизированной системы управления процессом бурения Зоя 1.1.

Система Зоя 1.1 предназначена для контроля технологических параметров бурения с целью оперативного управления и оптимизации режимов бурения скважин на нефть и газ и обеспечивает:

·автоматический сбор и обработку с расчетом производных параметров и представление текущей информации в наглядной форме на средствах отображения и регистрации бурильщика и бурового мастера;

·документирование результатов бурения в цифро-аналоговом и графическом виде, включая рапорт за смену,

·контроль выхода технологических параметров за установленные пользователем пределы со световой и звуковой сигнализацией этих событий;

·аварийную сигнализацию при выходе параметров «Вес на крюке», «Давление на входе»  за предельные значения с выдачей сигналов блокировки на соответствующее буровое оборудование;

·автономное функционирование пульта бурильщика при отключении ЭВМ;

·высокую эксплуатационную надежность и долговечность при минимальных затратах на техническое обслуживание и метрологическое обеспечение.

К необходимому типовому элементу любой системы автоматического управления относятся датчики технологических параметров. Назначение датчика — преобразование контролируемой или регулируемой величины в величину другого рода, удобную для дальнейшего применения.

В системе присутствуют следующие датчики:

·Датчик веса на крюке устанавливается на неподвижной ветви талевого каната. В качестве первичного преобразователя в датчике используется тензометрический силоизмерительный элемент.

·Датчик контроля момента на роторе (тензометрический) устанавливается на редукторе привода ротора вместо фиксирующей серьги-стяжки или фиксирующей опоры. Контролируется действующее на датчик усилие растяжения или сжатия.

·Датчик контроля ходов насоса (индуктивный датчик приближения) устанавливается на шкиве привода насоса.

·Датчик канала контроля скорости вращения ротора определяет скорость вращения вала привода ротора. В качестве первичного преобразователя применяется датчик приближения. Устанавливается на трансмиссии.

·Датчик давления (тензорезисторный) устанавливается в нагнетательной линии.

·Датчик глубин дает исходную информацию для расчета глубины забоя, подачи, положения тальблока. Датчик цепной передачей связан с валом лебедки.

·Датчик-индикатор изменения расхода бурового раствора на выходе (в желобе) преобразует угол отклонения лопатки от вертикального положения в электрический сигнал в зависимости от уровня и скорости потока.

·В совмещенном датчике плотности — уровня бурового раствора (БР) и плотности БР на выходе в качестве первичного преобразователя применяется дифференциальный  манометр.  Измеряется гидростатическое давление в погруженных в буровой раствор трубках, через которые   под   давлением продувается воздух.

·Датчик суммарного содержания горючих газов, выполненный на основе первичного термохимического преобразователя, монтируется вместе с датчиком-индикатором изменения расхода на выходе. Аналогичные датчики   применяются для контроля газосодержания и сигнализации во взрывоопасной зоне.

·Датчик температуры БР на входе и выходе выполнен на основе специальной микросхемы и устанавливается, соответственно, в рабочей емкости и в желобе.

·Датчик температуры воздуха (аналогичный) размещен в кабельной распределительной коробке.

·Датчик момента на ключе (тензометрический) устанавливается на приводном тросе ключа.

·Датчик момента на турбобуре (тензометрический) устанавливается на узел стопора ротора.

Информация от датчиков по кабелям передается в блок УКП, где осуществляется преобразование и обработка сигналов, и, затем, в пуль бурильщика и ЭВМ.

Информационно-метрологические  характеристики   в  полном  объеме приведены в прилагаемой таблице №.

                                                                                     Таблица  №.

Контролируемый параметр

Наименование параметра, единица измерения

Диапазон контроля

1 Вес на крюке, кН

0 — 5000; 0 — 4000

 0 — 3000; 0 — 2500

0 — 2000; 0-1500

2 Нагрузка на долото, кН

0-500

3. Крутящий момент на роторе, кНм

0-60 0-30

4. Давление на входе, Мпа

0-40

5 Расход на входе, л/с

0-100

6 Обороты ротора, об/мин

0-300

7 Число ходов каждого насоса (до трех), ход/мин

0-125

8 Изменение расхода на выходе, %

0-99

9. Подача, м

0-99,9

10. Положение талевого блока, м

0-60 0-45

11 Глубина забоя, м

0 -9999

12 Положение долота над забоем, м

0 — 9999

13 Текущее время, дата

-

14. Время бурения 1 м проходки, мин/м

0-1000

15. Механическая ско­рость проходки, м/час

0-200

16. Скорость СПО, м/с

0-3

17. Время бурения долотом, мин

0-999999

18. Проходка на долото, м

0-999

19. Плотность бурового раствора (БР), г/смЗ

0,8-2,6

20. Уровень БР, м

0,4-2,0; 0,8-2,4

1,2-2,8

21 Суммарный объем БР, мЗ

0 — 999,9

22. Изменение суммар­ного объема БР, мЗ

0-500

23 Суммарное содер­жание горючих газов, % НКПР

0-50

24. Момент на ключе, кНм

0-60

25. Момент турбобура, кНм

0-30

26 Температура на входе и выходе,°С

0-100

27 Температура воздуха,°С

0-100

28. Плотность промывочной жидкости в желобе, г/смЗ

0,8-2,6


4
.2 Место УСО в АСУ процесса бурения

АСУ ТП должна иметь возможность и средства связи с объектом управления. Однако из главных различий между системами обработки данных и АСУ ТП состоит в том, что последняя должна быть способна в реальном времени получать информацию о состоянии объекта управления, реагировать на эту информацию и осуществлять автома­тическое управление ходом технологического процесса. Для решения этих задач ЭВМ, на базе которой строится АСУ ТП, должна относиться к классу управляющих вычислительных машин (УВС), т. е. представлять собой управляющий вычислительный комплекс (УВК) УВК можно определить как вычислительную машину, ориентированную на автоматический прием и обработку информации, поступающей в про­цессе управления, и выдачу управляющих воздействий непосредственно на исполнительные органы технологического оборудования. Такая ори­ентация обеспечивается устройствами связи с объектом (УСО) (рис. ммм) — набором специализированных блоков для информационного обмена между уп­равляющей ЭВМ и объектом управления. Различают пассивные и ак­тивные УСО.

Пассивные устройства выполняют команды опроса датчиков и команды выдачи управляющих воздействий. Они содержат комплекты входных и выходных блоков и блок управления. В состав входных и выходных блоков, обеспечивающих прием аналоговой и дискретной информации, входят преобразователи формы информации типа аналог-код и код-аналог, коммутаторы, усилители и т. п. Блок управления обеспечивает необходимый обмен информацией с управляющей ЭВМ и управление всеми блоками устройства, расшифровывает команды, поступающие от ЭВМ, и обеспечивает необходимый обмен информацией через блоки ввода-вывода

Активные УСО способны работать в автономном режиме слежения за состоянием управляемого объекта (процесса), а также выполняют определенные алгоритмы преобразования информации, например, алгоритмы регистрации параметров и сигнализации об отклонении их от нормы, регулирования по одному из относительно простых законов и др. Построение УСО по активному принципу позволяет повысить надежность АСУ ТП в целом и эффективность использования управляющей вычислительной машины в результате сокращения потока информации, поступающей от объекта управления в управляющую ЭВМ.


--PAGE_BREAK--