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
- Балавин М.А., Продовиков С.П., Шайхутдинов А.З. и др. Автоматизация процессов газовой промышленности. СПБ: Наука, 2003.
- 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
