Разработка системы диспетчерского контроля и управления оборудованием добычи нефти в концепции комплексной оптимизации добычи на сложных нефтяных месторождениях

Работа направлена на разработку системы диспетчерского контроля и управления оборудованием добычи нефти, с моделированием динамики процессов и синтезом контуров автоматического управления, с дальнейшей интеграцией в систему оптимального планирования.

Введение ………………………………………………………………………………………………. 13
1 Обзор источников литературы по тематике исследования ……………….. 15
1.1 Определение цифрового двойника …………………………………………………. 15
1.2 Определение математической модели ……………………………………………. 18
1.3 Основные этапы математического моделирования ………………………….. 18
1.4 Классификация моделей ……………………………………………………………….. 19
1.5 Реализованные проекты с помощью цифровых двойников ………………. 20
2 Техническое задание …………………………………………………………………….. 29
2.1 Полное название …………………………………………………………………………… 29
2.2 Краткая характеристика области применения …………………………………. 29
2.3 Основные задачи и цели создания АСУ ТП ……………………………………. 29
2.4 Назначение кустовой площадки …………………………………………………….. 29
2.5 Требования к техническому обеспечению ………………………………………. 30
2.5.1 Требования к метрологическому обеспечению ……………………………….. 31
2.5.2 Требования к математическому обеспечению …………………………………. 32
2.5.3 Требования к программной документации ……………………………………… 32
2.6 Разработка системы телесигнализации и управления кустовой площадки
……………………………………………………………………………………………………. 32
2.6.1 Значение кустовых площадок ………………………………………………………… 32
2.6.2 Сооружение кустовой площадки ……………………………………………………. 33
3 Моделирование системы в программном обеспечении MATLAB …….. 34
3.1 Моделирование асинхронного погружного электродвигателя ………….. 34
3.2 Выводы по моделированию системы в программном обеспечении
MATLAB………………………………………………………………………………………………. 46
3.3 Моделирование процесса перекачки ………………………………………………. 46
3.4 Настройка OPC в MATLAB …………………………………………………………… 51
3.5 Выводы по моделированию системы в MATLAB ……………………………. 52
3.6 Настройка OPC сервера «MasterOPC» ……………………………………………. 54
4. Программирование в среде TIA Portal ……………………………………………. 58
4.1 Запуск системы …………………………………………………………………………….. 61
5 Аппаратные и программные средства …………………………………………….. 66
5.1 Промышленный логический контроллер ………………………………………… 66
5.1.1 Состав S7-1500 ……………………………………………………………………………. 67
5.1.2 Особенности S7-1500 …………………………………………………………………… 68
5.1.3 Защита информации …………………………………………………………………….. 69
5.2 Технология OPC …………………………………………………………………………… 69
5.3 Программный пакет MATLAB ………………………………………………………. 72
5.4 Среда разработки SIEMENS TIA PORTAL …………………………………….. 73
5.5 Выводы по 5 главе ………………………………………………………………………… 74
6. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение ………………………………………………………………………………… 76
6.1 Предпроектный анализ …………………………………………………………………. 76
6.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования………………….. 76
6.1.2 Анализ конкурентных решений …………………………………………………….. 77
6.1.3 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………….. 80
6.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации ……………………………. 82
6.1.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования ………………………………………………………………………………………… 84
6.1.6 Инициация проекта ………………………………………………………………………. 84
6.1.7 Цели и результаты проекта ……………………………………………………………. 84
6.1.8 Ограничения и допущения проекта ………………………………………………… 85
6.2 Планирование управления научно-техническим проектом ………………. 86
6.2.2 Иерархическая структура работ проекта ………………………………………… 86
6.2.3 План проекта………………………………………………………………………………… 87
6.2.4 Бюджет научного исследования …………………………………………………….. 88
6.2.5 Основная заработная плата ……………………………………………………………. 90
6.2.6 Дополнительная заработная плата научно-производственного персонала
……………………………………………………………………………………………………. 92
6.2.7 Отчисления на социальные нужды ………………………………………………… 93
6.2.8 Накладные расходы ………………………………………………………………………. 93
6.2.9 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта. . 94
6.3 Организационная структура проекта ……………………………………………… 95
6.3.1 План управления коммуникациями проекта …………………………………… 95
6.3.2 Реестр рисков проекта …………………………………………………………………… 96
6.4 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности исследования………………………………………….. 97
6.4.1 Оценка абсолютной эффективности исследования ………………………….. 97
6.4.2 Чистая текущая стоимость (NPV) ………………………………………………….. 97
6.4.3 Оценка сравнительной эффективности исследования ……………………… 99
6.4.4 Дисконтированный срок окупаемости ………………………………………….. 101
6.4.5 Внутренняя ставка доходности (IRR) …………………………………………… 102
6.4.6 Индекс доходности (рентабельности) инвестиций ………………………… 104
7 Социальная ответственность ……………………………………………………….. 105
7.1 Введение ……………………………………………………………………………………. 105
7.2 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности … 105
7.2.1 Производственная безопасность ………………………………………………….. 107
7.2.2 Производственный шум ………………………………………………………………. 108
7.2.3 Повышенный уровень вибрации ………………………………………………….. 109
7.2.4 Термические опасности на рабочем месте …………………………………….. 109
7.2.5 Поражение электрическим током …………………………………………………. 110
7.2.6 Отклонение показателей микроклимата рабочей зоны …………………… 111
7.2.7 Недостаточная освещенность рабочей зоны ………………………………….. 112
7.2.8 Повышенный уровень электромагнитных излучений на рабочем
месте ………………………………………………………………………………………………….. 112
7.2.9 Умственные перегрузки ………………………………………………………………. 114
7.2.10 Экологическая безопасность ……………………………………………………….. 115
7.2.11 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………… 117
7.3 Выводы по разделу ……………………………………………………………………… 119
Заключение …………………………………………………………………………………………. 121
Список использованной литературы ……………………………………………………… 123
Приложение А …………………………………………………………………………………….. 127

Данная работа посвящена созданию полноценного набора
инструментов для осуществления моделирования. В ходе исследования была
разработана пошаговая инструкция по осуществлению связи между
контроллером Siemens S7-1500 и программным пакетом MATLAB. Также для
в процессе работы была построена математическая модель погружного насоса
на основе которой осуществляется моделирование. Для более удобного
управления системой был написан графический интерфейс управления в
программном пакете WinCC Professional.
Самым энергозатратным процессом является реализация готового
продукта, построенного с помощью компьютерного моделирования. Это
связано с аспектом неточности модели, которая не может учесть всех
характеристик итоговой системы.
В первом разделе работы был проведен обзор источников литературы
по тематике исследования и были освещены вопросы истории развития
цифровых двойников, математического моделирования, а также о
реализованных продуктах по данной тематике.
Во втором разделе был осуществлен подбор оборудования и
программного обеспечения. В качестве оборудования был выбран контроллер
Siemens семейства S7-1500 с процессором CPU 1516-3PN/DP. В качестве
программных компонентов моделирования были выбраны ПО MATLAB и ПО
TIA Portal.
В третьем разделе работы были проведено моделирование 3-фазного
погружного электродвигателя. Модель отвечает заданным требованиям и
поддерживает характеристики на должном уровне.
В четвертой главе было проведено подключение OPC-сервера
MASTER OPC к программному обеспечению MATLAB. Подключение
осуществлено с помощью блоком OPC CONNECTION, OPC READ и OPC
WRITE.
В пятой главе проведена разработки логики управление моделью в ПО
MATLAB. Рассмотрено решение управления с помощью PID – регулятора.
Разработана SCADA – система для контроля и управление, которые
осуществляет оператор. Так как первая модель после запуска была
неэффективна, принято решение упростить модель. Итого скорость на насос
задается напрямую после выхода PID – регулятора с TIA Portal.
Спроектированная модель отвечает заданным требованиям, логика,
прописанная в программном обеспечении TIA Portal эффективно управляет
расходом при задании уставки. Значения расходомеров приходят на экран
оператора, задержки получения данных нет, а это значит потери значений нет,
и оператор сможет вовремя отреагировать на изменения системы. Таким
образом разработка системы диспетчерского контроля и управления
оборудованием добычи нефти в концепции комплексной оптимизации добычи
на сложных нефтяных месторождениях прошла успешно.
В шестой главе проведен анализ на выявление опасных и вредных
факторов рабочего места инженера, разработаны меры по снижению
воздействия этих факторов на человека: в качестве мер по снижению шума,
воздействующего на людей в рабочем помещении, предусмотрено
использование звукопоглощающих материалов; в качестве мер по улучшению
микроклимата предусмотрено поддержание в помещении оптимальной
температуры и влажности воздуха; в качестве мер по снижению недостатка
освещенности предусмотрено использование искусственного освещения; в
качестве мер по снижению электромагнитного и электростатического
излучения предусмотрено заземление компьютера.
Также были рассмотрены вопросы по производственной санитарии,
технике безопасности, пожарной безопасности, охране окружающей среды