Статья о разработке и внедрении АСУ ТП установки комплексной подготовки газа

Уважаемые Коллеги!

Представляем Вашему вниманию новую статью «Разработка и внедрение АСУ ТП установки комплексной подготовки газа», автор Р.С. Лаврухин (ПАО «Газпром автоматизация»), опубликованную в журнале Автоматизация в промышленности №8/2016.  В статье представлен комплексный подход к созданию АСУ ТП на базе программно-технических средств GE’s Automation and Controls для объектов в нефтегазовой отрасли, наших партнеров ПАО «Газпром автоматизация».

Применение данного подхода проиллюстрировано на примере проекта по разработке и внедрению АСУ ТП установки комплексной подготовки газа (УКПГ) Юбилейного нефтегазоконденсатного месторождения (пласты АУ11 и ПК18-20) (АСУ ТП УКПГ-В ЮНГКМ).

«РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ АСУ ТП УСТАНОВКИ КОМПЛЕКСНОЙ ПОДГОТОВКИ ГАЗА»

Р. С. Лаврухин (ПАО «Газпром автоматизация»)

ПАО «Газпром автоматизация» является крупным системным интегратором, осуществляющим создание и внедрение АСУ для объектов ПАО «Газпром». Предприятие осуществляет полный цикл работ по реализации АСУ: научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, проектирование, производство и поставку оборудования, строительно-монтажные и пусконаладочные работы, сервисное обслуживание и капитальный ремонт. ПАО «Газпром автоматизация» активно участвует в программе импортозамещения: осваивает применение отечественных комплектующих технических средств и ПО, а также участвует в создании конкурентоспособных аналогов зарубежного оборудования. Успешную деятельность в широком спектре направлений предприятию обеспечивают: подобранный коллектив высококвалифицированных специалистов, современная организация решения административных и производственных задач, глубокая интеграция в производство объемной, хорошо структурированной нормативной базы. Стоит особенно подчеркнуть значимость последнего. Создание систем контроля, управления и безопасности технологических объектов добычи, транспортировки, переработки и хранения газа, газового конденсата, нефти от разработки концепции до внедрения с последующим сопровождением и модернизацией — основная специализация управления комплексных проектов ПАО «Газпром автоматизация». Основываясь на богатом инжиниринговом опыте, в управлении разработаны внутренние документы, регламентирующие порядок выполнения проектов от этапа к этапу. Также специалисты управления руководствуются основополагающими нормативными документами — ГОСТами и ОСТами. Подобный комплексный подход к созданию нормативной базы способствует сокращению сроков при реализации проектов и последующей успешной эксплуатации систем автоматизации. В статье рассмотрен комплексный подход к созданию АСУТП для нового строящегося промышленного объекта, реализованный управлением комплексных проектов ПАО «Газпром автоматизация».

Описание основных объектов автоматизации и технологического процесса УКПГ

В период с 2012 по 2014 гг. была разработана и внедрена АСУТП УКПГ Юбилейного нефтегазоконденсатного месторождения (УКПГ-В входит в состав проекта «Обустройство Юбилейного НГКМ»). УКПГ-В представляет собой комплекс технологического оборудования и вспомогательных систем, обеспечивающих сбор и подготовку природного газа и газового конденсата.

 Рис. 1. Технологическая схема УКПГ

Основными функциями установки являются:

• прием и замер сырого газа, поступающего с газо­вых скважин и отдельных газоконденсатных скважин;
• подготовка газа до товарного качества, удовлет­воряющего требованиям ОСТ 51.40-93;
• подготовка и стабилизация газового конденсата до товарного качества, удовлетворяющего требовани­ям ОСТ 51.65-80;
• хранение товарного конденсата в резервуарах и обеспечение налива в автоцистерны для транспор­тировки;
• замер товарного газа и транспортировка в маги­стральный газопровод.

Подготовка газа осуществляется за счет низко­температурной сепарации (НТС) — технологиче­ского процесса промысловой обработки природного газа с целью извлечения из него газового конденса­та. Технология заключается в ступенчатой сепарации природного газа с применением низких температур на последних ступенях очистки [1].

Стабилизация конденсата происходит на площад­ке концевой трапной установки. Для стабилизации конденсата происходит его нагрев с последующим ступенчатым разгазированием до требуемого товар­ного качества.

Рассмотрим процесс подготовки газа и конденса­та на установке (рис. 1). Сырой газ поступает с кустов газовых скважин и отдельных газоконденсатных сква­жин по трем газопроводам-шлейфам в здание пере­ключающей арматуры. Входные линии последнего обеспечивают подачу сырого газа из шлейфов в общий коллектор, от которого происходит разделение на две технологические линии НТС. Далее сырой газ транс­портируется по этим линиям в технологический кор­пус подготовки газа, где осуществляется процесс низ­котемпературной сепарации. Затем подготовленный газ поступает в пункт коммерческого замера. После за­мера потоки газа из технологических линий НТС объ­единяются в газосборном коллекторе и транспортиру­ются в магистральный газопровод к потребителям.

Извлеченный из природного газа конденсат по­ступает в концевую трапную установку для стабили­зации. Далее подготовленный конденсат транспорти­руется для хранения в резервуарный парк конденсата. В здании насосной конденсата осуществляется пере­качка товарного продукта из резервуарного парка конденсата на площадку налива конденсата. Закачка товарного конденсата производится в автоцистерны при помощи автоматической системы налива.

Назначение и цели создания системы

Все этапы создания АСУТП УКПГ-В проводились в соответствии с ГОСТ 34.601-90 «Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизиро­ванные системы. Автоматизированные системы. Ста­дии создания».

На начальном этапе создания АСУТП УКПГ-В проведено детальное обследование объекта автома­тизации. На основе полученных данных сформулиро­ваны основные функциональные и пользовательские требования к системе.

Следующим этапом стало проведение научно-ис­следовательских работ на объекте и разработка кон­цепции АСУТП, удовлетворяющей требованиям за­казчика. По итогам данных работ было разработано и утверждено техническое задание, в котором сфор­мированы назначения и цели создания системы.

Назначение АСУТП УКПГ-В: обеспечение авто­матизированного контроля и управления в режиме реального времени ТП и состоянием оборудования УКПГ, дистанционного управления в рабочем ре­жиме и нештатных ситуациях, распознавания пре­даварийных ситуаций и предоставления информации производственно-техническому персоналу.

Цели создания АСУТП УКПГ-В:

• обеспечение надежной и эффективной работы основных и вспомогательных производственных объ­ектов за счет оптимального управления режимами их работы в соответствии с требования технологических регламентов;
• своевременное обнаружение и ликвидация от­клонений от заданных технологических режимов и предупреждение аварийных ситуаций;
• обеспечение координированного управления группами взаимосвязанных производственных и тех­нологических процессов;
• обеспечение производственно-технического пер­сонала необходимой информацией для формирования и принятия управленческих решений.

Описание технического проекта системы

На этапе проектирования системы создан тех­нический проект АСУТП УКПГ-В. Разработаны проектные решения, обеспечивающие выполнение требований и достижение целей создания системы. Создана и согласована с заказчиком техническая до­кументация, описывающая разработанный проект системы.

АСУТП УКПГ-В представляет собой распреде­ленную систему, включающую два взаимосвязанных уровня (рис. 2): оперативно-производственных служб (ОПС) и систем автоматического управления (САУ).

На уровне ОПС обеспечивается сбор информации от САУ, предоставление ее производственно-техни­ческому персоналу, архивирование, а также непо­средственное управление ТП.

На уровне САУ обеспечивается сбор информации с технологических объектов системы, ее обработка, а также управление по заложенным алгоритмам и ко­мандам уровня ОПС.

Рис. 2. Структурная схема комплекса технических средств УКПГ

Для сбора и обработки данных от объектов автома­тизации применяются шкафы управления и устрой­ства связи с объектом (УСО), которые размещены в аппаратных технологических помещений. В шка­фах управления и УСО предусмотрено контроллер­ное оборудование серии PACSystems Rx7i и Rx3i производства фирмы GE Intelligent Platforms. В качестве управляющего ПЛК используется резервированный контроллер серии Rx7i. Система удаленного вво­да/вывода реализована на ПЛК серии Rx3i.

Для реализации целей создания АСУТП УКПГ-В и выполнения требований технического задания применен ПТК разработки GE-IP. Выбор контроллерно­го оборудования обусловлен следующими особенно­стями серии PACSystems:

• универсальная базовая плата, которая поддержи­вает две различные шины на слот модуля (быстродей­ствующая шина на базе PCI и шина последовательно­го доступа);
• память для хранения программной и машинной документации в контроллере;
• поддержка открытых интерфейсов связи;
• многообразие дискретных, аналоговых и специ­ализированных модулей;
• возможность вносить изменения в конфигура­цию существующей системы управления без останов­ки производственного процесса;
• высокая мощность благодаря наличию большого числа встроенных функций;
• изолированный ввод питания 24В постоянного тока для модулей ввода/вывода и шина заземления, которая уменьшает объем пользовательской разводки;
• возможность «горячей» установки на PCI-шину базовой платы и на шину последовательного доступа.

В составе шкафов управления АСУТП УКПГ-В использованы следующие модули платформы Rx7i: шасси IC698CHS009; модуль питания IC698PSD300; модуль центрального процессора C698CRE040; сете­вой модуль Ethernet IC698ETM001; система вентиля­ции IC697ACC644; модуль согласования контролле­ров IC698RMX016.

Рис. 3. Шкаф управления

В составе УСО АСУТП УКПГ-В использова­ны следующие модули серии Rx3i: базовые пла­ты IC695CHS012 и IC695CHS016; модуль пита­ния многоцелевой (=24 В) IC695PSD140; модуль сетевого интерфейса IC695NIU001; сетевой модуль Ethernet IC695 ЕТМ001; коммуникационный модуль цифровых сигналов IC695CMM004; модуль аналого­вого ввода IC695ALG616; модуль аналогового ввода (поддержка HART протокола) IC695ALG626.

Контрольно-измерительные приборы, испол­нительные механизмы, а также локальные САУ, подключаются с помощью кабельной продукции к модулям ввода/вывода УСО. Для дальнейшей обра­ботки полученные данные передаются в контроллеры по протоколу Ethernet Global Data. Связь контролле­ров (уровня САУ) с оборудованием уровня ОПС осу­ществляется с помощью промышленных коммутато­ров по резервированным оптоволоконным линиям, сетевым протоколом Industrial Ethernet.

Оборудование ОПС АСУТП УКПГ-В включает резервированный SCADA сервер АСУТП, резервиро­ванный архивный сервер, АРМ системного инженера, два двухмониторных АРМ оператора, а также принте­ры отчетов и событий.

Конфигурирование, диагностика, наладка, приклад­ное программирование, общее сопровождение и техниче­ское обслуживание ПТК осуществляется с АРМ систем­ного инженера.

Для обеспечения безаварийной работы основных технологических объектов УКПГ предусмотрена си­стема противоаварийной защиты (СПАЗ), реализованная в виде ин­тегрированной подсистемы АСУТП УКПГ-В. Модули ввода/вывода СПАЗ имеют резервированное ис­полнение. Предотвращение ложного запуска противоаварийных защит обеспечивается за счет диагностики датчиков и исполнительных меха­низмов (в том числе контроль ис­правности цепей), а также их ду­блирования на особо ответственных местах.

 Рис. 4. УСО

Разработка системы

После утверждения техниче­ского проекта АСУТП УКПГ-В следующим этапом стала разработка и согласование рабочей документации. Состав документов соответ­ствует ГОСТ 34.201-89. Рабочая документация со­держит все необходимые и достаточные сведения для обеспечения работ по разработке системы и ее после­дующей эксплуатации.

На основании данных, изложенных в рабочей до­кументации, специалисты инжиниринговой компа­нии приступили к разработке прикладного программ­ного обеспечения (ППО) АСУТП УКПГ-В. При создании ППО применялись типовые решения — многократно используемые программные объекты и приложения. В случае разработки нового решения, оно сохраняется в виде типового шаблона для после­дующего многократного использования.

Этапы и порядок выполнения работ по созданию ППО описаны в рабочей инструкции «Применение типовых решений в области создания ППО» и ис­пользуется внутри организации. На основании ин­струкции специалисты инжиниринговой компании составили план работ с указанием всех стадий разра­ботки и сроков их выполнения.

ППО АСУТП УКПГ-В уровня САУ реализова­но на базе инструментального ПО Proficy Machine Edition производства GE IP. Специалисты инжини­ринговой компании выполнили следующие работы:

• классификация и кодирование входных/выход­ных сигналов;
• создание конфигурации ПЛК и модулей вво­да/вывода на основании разработанной конструктор­ской документации;
• разработка подпрограммы диагностики ПЛК и модулей ввода/вывода;
• организация межконтроллерного обмена по про­токолу Ethernet Global Data;
• разработка подпрограмм обработки состояния входных аналоговых и дискретных сигналов;
• разработка подпрограмм об­работки состояния и управления исполнительными механизмами;
• конфигурация связи с ин­теллектуальными устройствами по информационным интерфей­сам;
• реализация алгоритмов тех­нологических блокировок и про­тивоаварийной защиты.

Разработка программ в Machine Edition осуществля­ется на языках программирова­ния стандарта IEC61131-3. Ал­горитмы обработки аналоговых и дискретных датчиков, испол­нительных механизмов, а также технические блокировки и про­тивоаварийная защита реализо­ваны на языке программирова­ния релейно-контактной логики Ladder Diagram (LD). Математические функции для выполнения таких операций, как расчет расхода газа выполнены на языке Structured Text (ST) [2]. Пере­численные алгоритмы и математические функции представлены в виде типовых объектов‑шаблонов fxClasses Machine Edition.

ППО АСУТП УКПГ-В уровня ОПС реализовано на базе инструментального ПО Proficy HMI SCADA-Cimplicity производства GE IP. В соответствии с ин­струкцией, специалисты инжиниринга выполнили следующие работы:

• настройка связи SCADA с ПЛК уровня САУ;
• разработка базы сигналов уровня ОПС;
• подготовка интерфейса пользователя в виде мно­гофункциональной панели управления ЧМИ;
• создание видеокадров диагностики состояния технических средств АСУТП УКПГ-В;
• создание видеокадров предоставляющих опера­тивному персоналу информацию о ТП в виде пред­метно-ориентированной и объектно-ориентирован­ной информации;
• создание видеокадров системы противоаварий­ной защиты предоставляющих оперативному персо­налу ход действия алгоритма и состояние объектов участвующих в нем;
• настройка сообщений тревог и событий;
• разработка БД;
• архивирование параметров;
• создание конфигурации отчетов;
• разработка групповых трендов.

При разработке ППО АСУТП УКПГ-В использо­ваны типовые решения в виде графических элемен­тов объектов ТП, панелей состояния и управления объектами, отчетных форм протоколов. Для упроще­ния разработки наиболее сложных этапов, таких как создание групповых трендов, применены скрипты, написанные в Proficy HMI SCADA Cimplicity на язы­ке программирования Visual Basic.

По окончании разработки ППО уровней САУ и ОПС проведена комплексная проверка его готов­ности. Проверялись взаимодействие двух уровней, и устранялись выявленные ошибки.

На производственном полигоне выполнено про­изводство и подготовка всех элементов комплекса технических средств. Проведены монтажные работы по сборке шкафов управления и УСО. Произведена загрузка и отладка ППО в соответствующие элемен­ты комплекса технических средств для комплексной проверки АСУТП УКПГ-В.

Завершающий этап разработки системы — про­ведение заводских испытаний комплекса программ­ных и технических средств АСУТП УКПГ-В совмест­но с заказчиком и генеральным проектировщиком. Проверки проводились по утвержденной программе и методике заводских испытаний с целью определе­ния работоспособности системы и решения вопроса о возможности поставки АСУТП УКПГ-В на объ­ект. Проверки подтвердили выполнение требований технического задания, а также соответствие системы ГОСТ 24.104-85 и СТО Газпром 097-2011. Итоги за­водских испытаний запротоколированы и оформ­лены соответствующим актом. После завершения испытаний комплексы технических средств АСУТП УКПГ-В упакованы и транспортированы на объект.

 Внедрение системы на объекте

Начальный этап внедрения системы на объекте — проведение строительно-монтажных работ, в рамках которых специалисты инжиниринговой компании совместно с подрядной организацией заказчика про­вели шеф-монтажные работы. Монтажной органи­зации была оказана консультация и передана необ­ходимая документация для установки и монтажа комплекса технических средств. Проверено состо­яние оборудования АСУТП УКПГ-В после транс­портировки, его установка в аппаратные, наличие электропитания и готовность оптоволоконной линии связи. Осуществлен контроль подключения кабель­ной продукции полевого оборудования в УСО. Ор­ганизована установка оборудования уровня ОПС, подготовлен пульт управления УКПГ. По окончании строительно-монтажных работ произведен запуск и опробование АСУТП УКПГ-В.

Следующим этапом стало проведение пуско-на­ладочных работ. Эксплуатирующей организацией определены приоритеты наладки технологических объектов УКПГ. Разработана «красная нитка» — вы­деленные участки технологической схемы, приори­тетные для пуска газа. Совместно с генеральной на­ладочной организацией продуман план проведения работ согласно «красной нитке». Руководитель ра­бочей группы специалистов инжиниринга распреде­лил работы между сотрудниками и расписал график командировок в соответствии с нагрузкой работ для своевременного выполнения всех задач.

Все работы закончены в срок. Для каждого техно­логического объекта проведены индивидуальные ис­пытания. Реализованы корректировки ППО по реко­мендации эксплуатирующего персонала для удобства контроля и управления ТП.

После успешного запуска газа были проверены алгоритмы автоматического управления и контуры технологического регулирования. Основные техно­логические объекты УКПГ функционирует в авто­матическом режиме. Специалистами инжиниринга проведено обучение оперативного персонала работе с АСУТП УКПГ-В. Осуществлена проверка готов­ности персонала на основании разработанного доку­мента «Руководство пользователя». Технический пер­сонал был обучен работе с комплексом программных и технических средств.

По окончании пуско-наладочных работ были успешно проведены предварительные испытания АСУТП УКПГ-В, итогом которых стал перевод си­стемы в режим опытной эксплуатации. Испытания проводились по утвержденной программе и методике.

В течение 3 мес. в работы с системой эксплуатирую­щая организация вела журнал опытной эксплуатации, где фиксировались все ошибки и рекомендации к ра­боте АСУТП УКПГ-В.

По завершении опытной эксплуатация были устра­нены все замечания к системе. Реализованы пожела­ния эксплуатирующей организации к системе, кото­рые сформировались во время работы с ней. После выполнения всех необходимых корректировок прове­дены комплексные приемочные испытания. В резуль­тате успешного выполнения всех проверок систему перевели в режим промышленной эксплуатации.

 Заключение

Рассмотренный проект разработки и внедрения АСУТП УКПГ-В успешно завершен в 2014 г. Общая продолжительность выполнения работ составила 2 г., что является отличным показателем для проекта тако­го масштаба. Представленные показатели выполнения комплексных работ для создания АСУТП на новых строящихся объектах стали возможными во многом благодаря выполнению отработанной в управление комплексных проектов ПАО «Газпром автоматиза­ция» поэтапной последовательности действий.

На этапе проектирования многофункциональной надежной АСУТП необходимо:

• тщательно провести обследование объекта авто­матизации;
• сформировать требования пользователя к системе;
• провести необходимые научно-исследователь­ские работы на объекте;
• проработать техническое задание на разработку системы;
• разработать несколько вариантов концепции АСУТП и выбрать лучшую из них;
• создать эскизный проект системы. Согласовать с заказчиком для внесения необходимых корректиро­вок;
• применять современные программно-техниче­ские средства, обеспечивающие надежное информа­ционно-управляющее взаимодействие.

На этапе разработки АСУТП необходимо:

• проработать технический проект системы и со­гласовать его с заказчиком для уточнения всех дета­лей разработки;
• подготовить рабочую документацию проекта для разработки и эксплуатации АСУТП;
• составить подробный план разработки комплек­са программных и технических средств;
• применять типовые решения при разработке АСУТП для сокращения трудозатрат и времени соз­дания проекта;
• провести заводские испытания с заказчиком для подтверждения работоспособности системы и вы­полнения всех требований технического задания.

Для успешного внедрения АСУТП на объекте необходимо:

• провести комплекс шеф-монтажных работ на объекте во время строительно-монтажных работ;
• проверить готовность оборудования для начала проведения пусконаладочных работ;
• по окончании строительно-монтажных работ провести запуск и опробование комплекса техниче­ских средств;
• проработать план пусконаладочных работ со­вместно с наладочной организацией;
• провести индивидуальные испытания объектов автоматизации;
• провести комплексные предварительные испы­тания АСУТП;
• выполнить корректировку системы в соответ­ствии с замечаниями и предложениями эксплуатиру­ющей организации во время опытной эксплуатации;
• провести приемочные испытания для ввода си­стемы в промышленную эксплуатацию.

Список литературы

1. Балавин М.А., Продовиков С.П., Шайхутдинов А.З. и др. Ав­томатизация процессов газовой промышленности. СПБ: Наука, 2003.
2. Петров И.В. Программируемы контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования. Под ред. В.П. Дьяконова. СОЛОН-Пресс. 2004.

Лаврухин Роман Сергеевич – зам. нач. отдела АСУТП Управления комплексных проектов

ПАО «Газпром автоматизация».

Контактный телефон (495) 989-76-52.

E-mail: r.lavrukhin@gazprom-auto.ru