Автоматизация процесса бурения

момент выборочного распределения случайной величины. Для одномерных

распределений – это среднее арифметическое значение по элементам выборки

[pic], …, [pic]

[pic]

(7/1)

При обработке статистических выборок среднее арифметическое является

оценкой математического ожидания, точность которого зависит от количества

элементов выборки n. Так как n в случае формирования измерений параметров

необходимо выбирать из соображений получения достаточной точности, то для

оценки этой точности при небольших объемах выборок можно воспользоваться

наилучшими линейными оценками S среднего квадратического отклонения [2],

например,

[pic] для n=2,

[pic] для n=4,

[pic]для n=8,

(7,2)

где [pic]- вариационный ряд, т.е. значения, расположенные в порядке

возрастания.

Например, при восьми опросах АЦП канала механической скорости [pic]

получены следующие значения:

|n |1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 |

|[pic],см/ч|156 |147 |149 |152 |151 |155 |144 |148 |

Вычисляя x и S по формулам (7.1) и (7.2), для различных значений n,

получим следующие результаты (табл. xxx ).

Таблица xxx

| |Вариационный ряд | | |

|n | |[pic] |S |

| |1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 | | |

|2 |147 |156 |---- |--- |--- |--- |--- |--- |151,1 |7,98 |

|4 |147 |149 |152 |156 |--- |--- |--- |--- |151 |4,41 |

|8 |144 |147 |148 |149 |151 |152 |155 |156 |150,25|3,36 |

Очевидно, с увеличением n точность формирования измерения повышается

и при n=4 и при n=8 вполне удовлетворительна. Кроме того, для выявления

тенденций в изменении состояния процесса бурения точность формирования

измерений различных параметров может быть неодинаковой. Например,

механическую скорость и крутящий момент (мощность), как наиболее

информативные параметры необходимо измерять с большой точностью (n=8),

чем осевую нагрузку и частоту вращения (n=4).

Для параметров расхода промывочной жидкости и давления на насосе,

изменения которых носят пульсирующий характер, можно ограничиться n=2.

Параметры обрабатываются не в физических единицах параметров

бурения, а в некоторых абстрактных единицах (кодах АЦП), пропорциональных

измеренному напряжению сигнала с соответствующего датчика. Следующий этап

формирования измерения – масштабирования, т. е. перевод значений

измерений, выраженных в кодах АЦП, в физические единицы. Такое

преобразование осуществляется следующим образом:

[pic],

где [pic]- значение i – го параметра бурения в физических

единицах; [pic]- масштабный коэффициент i – го параметра; [pic] -

значение i – го параметра в кодах АЦП.

Для некоторых параметров требуется дополнительная математическая

обработка, связанная с особенностями их измерения. Например, при

измерении осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент необходимо

учитывать вес снаряда в зависимости от того, как производится бурение: с

дополнительной нагрузкой или разгрузкой. Такая дополнительная обработка

осуществляется специальными подпрограммами, учитывающими конкретные

характеристики буровых установок и датчиков технологических параметров. В

системе автоматического управления процессом бурения должна быть

реализована возможность изменения определенных характеристик подсистемы

опроса и первичной обработки информации путем ввода в систему

соответствующих данных с пульта оператора системы. К таким

характеристикам относятся период измерения параметров , количество

опросов в измерении, Масштабные коэффициенты, выбор требуемой

подпрограммы обработки. Данные изменения должен производить специалист

службы КИП экспедиции или партии при проведении наладочных и проверочных

работ.

Как указывалось выше, оценка и прогнозирование изменений состояния

процесса бурения осуществляется путем формирования и анализа временного

ряда (тренда) каждого из измеряемых параметров. Непосредственно анализ

трендов, оценка и прогнозирование изменений состояния процесса

производится другими подсистемами системы автоматического управления

процессом бурения. Задача подсистемы сбора и первичной обработки

информации – формирование тренда, который, с точки зрения программной

реализации, должен представлять собой массив ячеек памяти, в котором

хранятся значения параметров, упорядоченные во времени.

Такой массив памяти формируется с использованием так называемой

стековой организации хранения данных, суть которой заключается в том,

что в массиве памяти фиксированного объема N , содержащего N значений

определенной переменной, новое (N + 1) значение данной переменной

помещается в этот массив (стек) за счет исключения из него по

определенному правилу одного из N элементов. Правилами записи в стек

могут быть ”первый пришел – первый ушел”, ”первый пришел – последний

ушел” и т. п. В данном случае стековая организация хранения данных

организована следующим образом.

Часть объема ОЗУ ЭВМ, в котором организована оперативная

информационная база, разделена на блоки, включающие по 64 ячейки памяти.

Число таких блоков равно максимальному количеству параметров и

показателей процесса бурения, используемых в системе. Каждый из таких

блоков является стеком соответствующего параметра; запись информации во

все стеки осуществляется по правилу ”первый пришел – первый ушел”. Пусть

в момент времени [pic][pic] в каком либо стеке, например стеке измерений

[pic], находилось 64 предыдущих значений (рис. 7.2) [pic] ,( [pic],

[pic], …,[pic]).

В момент времени [pic] было сформировано очередное измерение [pic],

которое необходимо поместить в стек, [pic] будет перемещено в 63-й

элемент, [pic] - в 62-й элемент и таким образом до ”вершины” стека, т. е.

до1-го элемента, в который будет помещено значение [pic], а значение

[pic] будет удалено из стека. Следовательно, в стек будет помещаться

каждое новое измерение данного параметра.

Запись во все стеки производиться синхронно с периодом [pic], т. е.

в момент времени [pic] (где K - номер цикла измерений) формируются

измерения всех параметров и записываются значения измерений в

соответствующие стеки. В любой момент времени [pic] в стеках

Ожидание истечения

[pic]

Да

Нет

Нет

Да

Нет

Рис. XXX Блок-схема

Да алгоритма работы

подсистемы

сбора и первичной

обработки информации

находятся по 64 измерения каждого из параметров процесса бурения,

упорядоченных во времени и позволяющих оценить изменение параметров в

интервале времени от [pic] до [pic]. Например, при [pic] с интервал

оценки измерения параметров составит [pic] с.

Очевидно, что, располагая данными за такой относительно длительный

интервал времени, можно достаточно надежно распознавать возникающие

изменения состояния процесса и прогнозировать тенденции развития

технологических ситуаций. Анализ формируемых таким образом временных

рядов производится другими подсистемами системы по математическим методам

и алгоритмам, соответствующим задачам, решаемым каждой из подсистем.

Описанные выше методы опроса, первичной обработки и хранения

информации о параметрах и показателях процесса бурения реализуются

программным модулем САУ технологическим процессом, который получает

управление циклически, с периодом [pic] Данный программный модуль имеет в

системе высший приоритет.

Вся необходимая для работы информация содержится в таблице опроса

параметров (рис. xxxx) и определяет требуемый режим и характеристики

измерений. Блок схема алгоритма работы модуля приведена на рис. xxxx.

Важное преимущество подобной структуры данной подсистемы -

возможность простого изменения или замены подпрограммы обработки

измерений параметров, и следовательно возможность работы системы с

различными датчиками и измерительными приборами.

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, |0,8-2,6 |

|г/смЗ | |

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.

Рис. Типовая структура АСУ ТП на базе управляющей ЭВМ.

В настоящем дипломе разрабатывается конструкция функционально

законченного устройства связи с объектом в системе сбора и первичной

обработки информации о состоянии процесса бурения (рис.ццц). Система

сбора и первичной обработки информации о состоянии процесса бурения

является важнейшей функциональной подсистемой АСУ ТП ЗОЯ.

В основном схема разработана на интегральных микросхемах ТТЛ серии

К555 и К155. Данная модель является практичной, недорогой и простой и

позволяет связать датчик любого типа с IBM PC или эквивалентным

компьютером. Подробно рассматриваются принципы функционирования системной

шины IBM PC и базовый аппаратный интерфейс, с которым связана

вышеуказанная конструкция, а также работа системы прерываний, счетчиков и

таймеров.

4.1 Описание работы схемы

В разрабатываемой схеме можно использовать до 64 портов - 32 входных

и 32 выходных. В таблице ххх дается распределение портов платы.

Таблица ххх.

|Линия |Номер порта |Наимено- |Функция |Микросхема |

|выбора порта |(16-ричный) |вание | | |

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5