книги / Элементы и структуры систем автоматизации технологических процессов нефтяной и газовой промышленности

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

Р.А. Сажин

ЭЛЕМЕНТЫ И СТРУКТУРЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2008

1

УДК 622.6 С14

Рецензенты:

кандидат технических наук И.Я. Сальников (ЗАО «Энергосервис»);

кандидат технических наук, доцент А.И. Судаков (Пермский государственный технический университет)

Сажин, Р.А.

С14 Элементы и структуры систем автоматизации технологических процессов нефтяной и газовой промышленности: учеб. пособие / Р.А. Сажин. − Пермь: Изд-во Перм.

гос. техн. ун-та, 2008. − 175 с.

ISBN 978-5-88151-972-8

Рассмотрены вопросы, связанные с устройством и принципами работы элементов аналоговой и цифровой автоматики, на базе которых строятся современные системы автоматизации объектов, в том числе и в нефтегазовой отрасли. Изложены принципы устройства и работы современных систем автоматизации управления технологическими процессами этой отрасли. Рассмотрены основные структуры таких систем. Приведены структуры алгоритмов управления этими системами.

Предназначено для студентов очного и очно-заочного отделений горно-нефтяного факультета по специальностям «Разработка нефтяных и газовых месторождений» и «Бурение нефтяных и газовых скважин».

Выполнено в рамках программы «Гранты ТНК-ВР для профильных вузов РФ».

УДК 622.6

2

ВВЕДЕНИЕ

После комплексной механизации производственных процессов следующим этапом научно-технического прогресса в производственной сфере является автоматизация этих процессов, которая развивается по законам автоматики на основе принципов работы ее основных структурных элементов, которые сами по себе находятся в постоянном развитии.

В основу большинства автоматических систем заложены типовые принципы взаимодействия структурных элементов автоматики, изучив которые можно не только разобраться в принципе работы любой автоматической системы, но и успешно создавать новые, более совершенные системы.

Целью этого учебного пособия является знакомство студентов с основными средствами автоматизации, их функциональным назначением и принципом работы в качестве структурных элементов автоматических систем. Основные типы автоматических структур, которые применяются для автоматизации процессов нефтяной и газовой промышленности, предлагаются студентам для подробного изучения.

Автоматизация производственных процессов всегда связана с управлением этими процессами, поэтому первоначально рассмотрим несколько основополагающих понятий, связанных с управляющим процессом.

3

1. УПРАВЛЕНИЕ И ЕГО ВИДЫ

Управление − это целенаправленное воздействие на объект управления с целью получения желаемого результата. Принципиальная структура одного из видов управления представлена на рис.1.

Рис. 1. Структура системы управления объектом

При любом виде управления всегда существует материальный объект, на который направлено некоторое воздействие, вследствие чего этот объект изменяет свое состояние. Новое состояние объекта управления принято называть результатом управления. Этот результат формируется на выходе объекта управления. Для получения результата на вход объекта управления подается управляющее воздействие, которое, в свою очередь, формируется устройством управления. Часть этого результата в виде информации подается обратно на устройство управления. Объект управления и устройство управления подвергаются воздействию со стороны внешней среды. Это воздействие называют внешним воздействием, и оно, как правило, всегда ухудшает результат управления.

Способ формирования управляющего воздействия на объект управления определяет вид управления, которое по этому признаку может быть ручным, автоматическим иавтоматизированным.

4

1.1. Ручное управление

При ручном управлении управляющее воздействие на объект управления осуществляется непосредственно человеком в виде его мускульного воздействия или с помощью технических устройств, усиливающих это воздействие (рис. 2).

Рис. 2. Структура системы ручного управления объектом

Если величина момента сопротивления по управлению объектом не превышает величины возможностей мускульного воздействия человека, то субъект управления (человек-оператор) пропорционально формирует это воздействие своим мускульным усилием. Если же этого усилия недостаточно для управляющего воздействия на объект управления, то в системах ручного управления используются усилители мускульного воздействия различного типа.

Например, для торможения велосипеда водитель использует мускульное усилие ног, которого вполне достаточно для его полной остановки. В то же время для остановки более тяжелых транспортных средств, таких как автомобили, этого усилия недостаточно, поэтому в конструкцию их тормозной системы вводятся гидравлические или пневматические усиливающие устройства, воздействующие на тормозную систему пропорционально мускульному управляющему усилию водителя.

5

1.2. Автоматическое управление

При автоматическом управлении управляющее воздействие на объект управления осуществляется автоматическим управляющим устройством, работающим независимо от человекаоператора по заданному алгоритму на основе использования информации о результате управления и состоянии объекта управления. Величина воздействия устройства управления на объект определяется именно этими факторами.

Структура управления объектом в автоматическом режиме приведена на рис. 3.

Рис. 3. Структура системы автоматического управления объектом

По способу формирования управляющего воздействия автоматические устройства управления бывают двух типов:

•работающие по принципу компенсации отклонения результата управления;

•работающие по принципу компенсации внешнего воздействия на объект управления.

1.2.1.Устройства автоматического управления, работающие по принципу компенсации отклонения

результата управления от заданной величины

Вустройствах автоматического управления, работающих по принципу компенсации отклонения результата управления (рис. 4), информация о результате управления или о состоянии

6

объекта управления, полученная по каналу обратной связи, сравнивается с задающим сигналом.

Рис. 4. Структура устройства автоматического управления, работающего по принципу компенсации отклонения результата управления от заданной величины

В случае рассогласования этой информации и задающего сигнала элемент сравнения формирует сигнал коррекции, который подается на вход устройства управления, в результате чего это устройство формирует управляющее воздействие на объект управления, пропорциональное величине этого отклонения. Данная система управления относится к замкнутому типу, так как часть результата управления по информационному каналу обратной связи снова подается на вход устройства автоматического управления.

Например, в системе автоматического управления скоростью бурения нефтяных скважин всегда замеряется фактическая скорость движения буровой колонны. Если по какой-то причине эта скорость будет больше заданной, то датчик скорости будет формировать сигнал, величина которого будет больше заданного значения. Повышенная скорость бурения не всегда благоприятна для режима работы бурового долота, поэтому на систему управления будет подан сигнал рассогласования между заданной и фактической скоростью бурения. Тогда система автоматического управления будет подавать сигнал на увеличение тормозного момента на буровой лебедке, в результате чего снизится осевое усилие на буровомдолотеиуменьшитсяскорость бурения.

7

1.2.2. Устройства управления, работающие по принципу компенсации внешнего воздействия на объект управления

В устройствах автоматического управления, работающих по принципу компенсации внешнего воздействия на объект управления (рис. 5), информация о внешнем воздействии на объект управления поступает на элемент коррекции. Этот элемент по заданному алгоритму формирует сигнал управления. В этом случае информация о результате управления не поступает на вход системы управления, поэтому такие системы относятся к системам управления разомкнутого типа.

Рис. 5. Структура устройства автоматического управления, работающего по принципу компенсации внешнего возмущения

Например, в системе автоматического поддержания температуры городской теплосети нет технической возможности получить информацию о температуре в каждом помещении отапливаемого жилого фонда, но всегда есть возможность измерить температуру окружающей среды. Поэтому система управления, регулирующая работу системы поддержания температуры городской теплосети, строится по принципу компенсации внешнего возмущения, по которому с понижением температуры наружного воздуха температура теплоносителя в этой сети для поддержания постоянной температуры в отапливаемых помещениях пропорционально повышается, и наоборот.

8

1.3. Автоматизированное управление

Автоматизированное управление (рис. 6) относится к комбинированному человекомашинному способу управления, при котором управляющее воздействие на объект производится автоматическим управляющим устройством, которое работает по заданному алгоритму без участия человека до тех пор, пока воздействие внешней среды на объект управления не выведет результат управления объектом за допустимые пределы, что потребует изменения заданного алгоритма управления или задающего сигнала или же непосредственного вмешательства оператора в процесс управления в ручном режиме.

После выхода из аварийной ситуации дальнейшее управление объектом снова производится в автоматическом режиме. Часто аварийная ситуация требует от оператора перехода на новый алгоритм управления или ввода в устройство управления новых уровней задающих сигналов. После выполнения таких операций в ручном режиме процесс управления объектом вновь переводится на автоматический режим, при котором устройство автоматического управления будет работать по скорректированному алгоритму или с новыми уровнями задающих сигналов.

Рис. 6. Структура системы автоматизированного управления объектом

Например, в системе управления самолетом на этапе взлета управление производится пилотом в ручном режиме. Как только самолетом будут достигнуты заданная высота, направление

9

и скорость полета, пилот переводит управление самолетом в автоматизированный режим, который выполняется автопилотом. При этом пилот по приборам только наблюдает за параметрами полета. В случае аварийной ситуации пилот корректирует задающие сигналы системы автоматики или переходит на ручной режим управления, т.е. отключает автопилот. При посадке самолета меняется алгоритм управления, поэтому автопилот переводится в режим автоматической посадки самолета.

2. ИНФОРМАЦИЯ И ЕЕ РОЛЬ В УПРАВЛЕНИИ

Анализ представленных выше структур различных видов систем управления показывает, что в каждую из этих структур входит информация, на основе обработки которой производится управление.

2.1. Формы отображения информации

Информация − это совокупность сведений об окружающем мире. Применительно к системам управления информация − это совокупность сведений о состоянии объекта управления, результатах управления, о внешней среде и результатах ее воздействия на объект управления, а для автоматических систем это еще и сведения об уровнях сигналов в самой системе управления. Информация в системах управления может отображаться двояко: с помощью сигналов и символов.

Сигнал − это материальное отражение информации через изменение конкретного физического процесса. Природа сигнала всегда материально-физическая. Например, для отображения температуры используется сигнал, который формируется за счет процесса расширения нагретых физических тел или процесса изменения величины сопротивления электрическому току этих нагретых физических тел.

Количество информации в сигнале измеряется количеством единиц измерения того физического процесса, через который она отображается.

10