Виртуальный стенд. Комплексный подход к тестированию интеллектуальных станций управления

Virtual test bench. Comprehensive approach to testing of intellectual variable speed drives

I.Zolotaryov, Ye. Poshvin, Department of innovation developments, «Novomet-Perm» CSC

При внедрении интеллектуальных алгоритмов в состав программного обеспечения станций управления разработчику приходится сталкиваться с трудностями при отладке программного кода и поиске ошибок. Предлагаемый комплексный подход на основе разработанной программы «Виртуальный стенд» позволяет проводить испытания всех алгоритмов интеллектуальной станции управления.

When introducing intelligent algorithms in VSD (variable speed drive) software the developer faces difficulties when debugging code and troubleshooting. More comprehensive approach is proposed on the basis of “Virtual test bench” which allows testing of all intellectual VSD algorithms.

Задача повышения эффективности эксплуатации установок электроцентробежного насоса (УЭЦН) является актуальной для предприятий, осуществляющих разработку оборудования для добычи нефти [1]. В рамках такой задачи необходимо достижение следующих целей: увеличение дебита добываемой жидкости, снижение энергопотребления, увеличение ресурса и надежности машин, уменьшение количества внезапных отказов, соблюдение рациональных режимов работы оборудования. Решение этих задач необходимо проводить в комплексе – от грамотного подбора оборудования до интеллектуального управления добычей.

На начальном этапе необходимо подобрать комплектацию УЭЦН таким образом, чтобы совместить точку максимального коэффициента полезного действия (КПД) выбранной установки с максимально возможным дебитом скважины, учитывая при этом возможное снижение забойного давления ниже давления насыщения, приводящее к увеличению концентрации свободного газа с соответствующими негативными последствиями. Выполнение этого условия не всегда осуществимо, поскольку информация о свойствах пласта и данные по скважине, используемые в программах подбора, не всегда достоверны, либо отсутствуют некоторые необходимые параметры, и приходится пользоваться косвенными методами расчета. Кроме того, существующие программы подбора используют алгоритмы с определенной долей погрешности и необходимостью выбора корреляций, требующей высокого профессионализма сотрудников, занимающихся подбором оборудования. В связи с этим возникает необходимость корректировки режима работы оборудования в реальных условиях. Такая корректировка является одной из основных задач интеллектуальных алгоритмов, встроенных в состав станции управления [2]. Другими, не менее важными задачами являются: вывод на режим, оптимизация добычи по различным критериям (например, максимальный дебит или минимальное энергопотребление), уход от аварийных режимов для предотвращения остановки добычи, а также необходимость сбора информации по фонду скважин, ее сохранение и обработка.

В рамках такого подхода компания «Новомет-Пермь» разрабатывает и внедряет следующие интеллектуальные алгоритмы:
  1. Управление нестационарными процессами:

    • вывод на режим;
    • периодическая эксплуатация.
  2. Оптимизация режимов работы:

    • максимальный дебит;
    • минимальное энергопотребление.
  3. Уход от аварийных режимов работы:

    • срыв подачи по газу;
    • срыв подачи по напору;
    • подклинивание;
    • перегрев ПЭД.
  4. Исследование скважины (построение зависимостей):
    • кривая восстановления давления;
    • индикаторная линия.

Комплексный подход к тестированию

При разработке интеллектуальных алгоритмов следует особое внимание уделить этапу тестирования. Пренебрежение к нему или выполнение не в полном объеме зачастую приводит к выявлению ошибок при работе оборудования непосредственно на скважине и, как результат, – к остановке работы [3]. Для выполнения полной программы тестирования необходима разработка специального программного обеспечения для осуществления имитации работы оборудования в скважине [4].

С целью проведения многофункционального тестирования была разработана программа «Виртуальный стенд», особенностью которой является моделирование сигналов любых датчиков (как аналоговых, так и дискретных), используемых в работе станции управления в виде произвольно заданных функциональных зависимостей.

Для тестирования интеллектуальных алгоритмов, отладки программного кода и поиска ошибок в компании «Новомет-Пермь» применяются различные подходы, заключающиеся в применении того или иного метода проверки или их комбинации:
  • эмуляция показаний датчиков с помощью текстового файла – используется на этапе предварительного тестирования для оценки работы отдельно взятых функций. Преимуществом является возможность тестирования на одном рабочем месте. Однако при таком подходе происходит исключение работы некоторых модулей программы, что влечет за собой невозможность целостной проверки программного кода, также отсутствует возможность проверки в режиме реального времени.
  • проверка ступеней как на стенде испытаний, так и на специальном стенде в ОКБ БН «Коннас». При таком подходе появляется возможность тестирования в реальном времени, проверяется весь программный код, работает оборудование, используемое на скважинах. К недостаткам можно отнести невозможность реализации всевозможных ситуаций, кроме того такое оборудование является дорогостоящим и имеется не на всех предприятиях.
  • испытания с помощью программы «Виртуальный стенд» – проверка осуществляется в режиме реального времени, имеется обратная связь с оборудованием, проверяется весь программный код, тестирование осуществляется на одном рабочем месте, возможно моделирование различных ситуаций и их комбинаций. При этом имеется возможность моделирования следующих блоков, входящих в состав СУ:
    1. Система телеметрии.
    2. Частотно-регулируемый привод.
    3. При необходимости – возможность подключения другого устройства, например, ПК-01.

Описание программы

«Виртуальный стенд» предназначен для тестирования интеллектуальных алгоритмов станций управления без применения специальных стендов, использующих элементы как погружного оборудования (насос, электродвигатель, кабель), так и наземного (трансформатор, фильтр). Например, для системы телеметрии моделируются сигналы, измеряемые датчиками и проходящие через тракт «блок измерительный головки ловильной с расходомером (БИГР) – блок измерительный двигателя (БИД) – кабель – блок наземный (БН) – станция управления (СУ)». Данные передаются по протоколу MODBUS RTU, подключение осуществляется через стандартные COM-порты, аналогично СУ.

При таком способе тестирования достигается сокращение затрачиваемого времени за счет следующих факторов:
  1. Не требуется переустановка оборудования для тестирования различных режимов.
  2. Есть возможность моделирования практически любой скорости изменения параметра, моделирующего процесс добычи в скважине (например, информация от системы телеметрии при использовании стандартных блоков поступает в контроллер СУ в среднем через 2 минуты, при использовании программы «Виртуальный стенд» – через 1 секунду).
С помощью данной программы имеется возможность тестирования алгоритмов вне водонапорного режима, т.е. в условиях, наиболее приближенных к скважинным. Тестирование станций управления происходит путем моделирования параметров различных блоков, входящих в состав станции и подключаемых к ней по протоколу MODBUS RTU в виде фиксированных, либо изменяющихся значений датчиков и параметров исполнительных устройств, например, частотного преобразователя. Данная программа позволяет проконтролировать показания текущих параметров, срабатывание защит контроллера, работу интеллектуальных алгоритмов.

Программа «Виртуальный стенд» устанавливается на персональный компьютер (ПК) либо ноутбук с операционной системой Windows XP SP3, Windows 7 или Windows 8. Подключается к тестируемой программе станции управления, установленной на другом ПК либо ноутбуке с помощью преобразователей интерфейса USB/RS-485. Главное окно программы (рис. 1) содержит информацию о доступных портах для подключения, о подключенных тестируемых блоках, о работе таймера (время работы, период обновления), а также кнопки открытия/закрытия порта, открытия регистров тестируемых блоков (для просмотра и изменения моделируемого значения), включения/выключения тестируемых блоков, управления работой таймера (старт/стоп, сброс). Есть кнопка редактирования правил (для задания правила изменения параметра, если при моделировании требуется изменение параметра), кнопка просмотра графиков, меню выбора скорости портов и выбора порта для тестируемого блока.
Окно моделирования параметра тестируемого блока показано на рис. 2 (для примера приведен блок телеметрии). Оно содержит следующие поля: адрес и название параметра, его описание, значение, тип, единицы измерения, а также опции возможности ручного/автоматического изменения и выборки при кратком просмотре. Есть кнопка краткого просмотра (показать все/показать отмеченное) и кнопка сохранения изменений.
Окно редактирования правил используется для задания функциональных зависимостей (рис. 3). В нем содержится номер правила, меню выбора изменяемого параметра, выражение, по которому данный параметр будет изменяться, меню выбора аргументов, от которых параметр зависит; кнопки управления правилом (добавить/удалить), кнопка «показать отмеченное» для включения режима краткого просмотра правил и кнопка «сохранить в файл» для сохранения изменений. Также имеется опциональные: выбор активации правила и возможности его отображения в режиме краткого просмотра.
Окно просмотра графиков показано на рис. 4. Оно содержит два меню для выбора отображения зависимостей одного параметра от другого соответственно по осям х и у. Кнопки «очистить», «показать график», «открыть график» и «сохранить график». При этом возможен выбор любых параметров – как моделируемых, так и считываемых со станции управления, в т.ч. вычисляемых.

Работа с программой

Особенностью «Виртуального стенда» является большая гибкость моделируемых устройств, для чего до запуска программы необходимо подключить конфигурационные файлы тестируемых блоков.

После запуска необходимо настроить программу в соответствии с тестируемой станцией, для чего необходимо выбрать следующие параметры тестируемого блока: подключенный порт, скорость обмена, адрес в сети MODBUS. После этого необходимо в окне редактирования регистров «поле – значение» (рис. 2) задать требуемое значение параметра. В результате введенное значение будет смоделировано и передано на станцию управления, где можно будет убедиться, что оно отображается корректно, а также отследить реакцию станции управления (рис. 5). Например, при задании значения сопротивления изоляции ниже допустимого значения произойдет остановка работы станции управления с выдачей соответствующего сообщения.
Если моделируется изменяющийся параметр, то в окне редактирования правил необходимо задать зависимость этого параметра от другого (либо от времени) в виде функции и активировать это правило. После этого – задать параметры таймера и запустить его. Например, требуется протестировать автоматический переход станции управления из режима «Вывод на режим» в режим «Оптимизация», условием перехода является стационарность давления на приеме в течение определенного времени. Для этого задаем зависимость давления на приеме от времени по следующей формуле
$P_{IN}(t) = P_{IN}^{max} \left[1 - \text{exp} \left(-\dfrac{t}{T_r}\right)\right]$(1)
где $P_{IN}(t)$ – моделируемое значение параметра давления на приеме, $P_{IN}^{max} = \text{const}$ – максимально допустимое давление на приеме, которое задано в станции управления, $T_r$ – постоянная времени.

Как известно, значение функции, заданной при помощи формулы (1), при «временах», меньших постоянной времени ($t ? T_r$), сильно зависит от этого показателя. При больших временах $t>> T_r$ , наоборот, значение этой функции практически от времени не зависит, и $\cong P_{IN}^{max}$.

Задаем период обновления таймера, равный 1 сек, начальное значение 0 и запускаем его. Таким образом, каждую секунду значение давления на приеме будет изменяться согласно формуле (1) и поступать на вход станции управления. Станция управления будет отслеживать данный параметр и, как только сработает критерий стационарности, станция перейдет в режим работы «Оптимизация». В результате этого можно будет судить о работе данной функции внутри алгоритма «Вывод на режим».

Другой пример: требуется смоделировать значение числа оборотов вращения ротора, передаваемое частотно-регулируемым приводом, от частоты питающего напряжения. Для этого задаем зависимость в виде формулы
$n = \dfrac{p \times ?}{60(1 - s/100)}$(2)
где $n$ – число оборотов двигателя в мин, $p$ – число пар полюсов, $?$ – частота питающего напряжения, $s$ – скольжение двигателя. Если необходимо учитывать еще и зависимость скольжения двигателя от потребляемого тока, то можно ввести еще одну соответствующую зависимость. Поскольку здесь моделируется зависимость одного параметра от другого, то необходимость в работе таймера отпадает, и его можно не использовать.

Пример проверки алгоритма «Уход от аварийных режимов работы: срыв подачи по газу» приведен на рис. 6. (на графике отображено значение частоты, формируемое станцией управления, красным цветом выделена описываемая ситуация). Предварительно смоделированы условия, соответствующие появлению газовой пробки на входе в насос: снижение подачи насоса ниже допустимого значения, уменьшение давления насоса ниже номинального. При фиксации срыва подачи по газу частота вращения насоса снижается, тем самым увеличивая объем газа, уходящего за НКТ (т.е. мимо насоса). Когда количество свободного газа на входе в насос уменьшится, частота повышается, поскольку степень деградации напорно-расходной характеристики на высоких частотах снижается: газ, попавший в насос, вместе с жидкостью проталкивается в НКТ, и подача насоса восстанавливается.
Поскольку данная программа моделирует работу в режиме реального времени, то имеется возможность записи работы станции в архив с последующим просмотром. На рис. 7. показан пример записи такого архива при тестировании алгоритма «Оптимизация: поддержание уровня добычи». В качестве уставки было задано значение 200 м3/сут.
Выводы

1. Применение программы «Виртуальный стенд» позволяет осуществлять комплексное тестирование интеллектуальных станций управления.

2. Достоверность получаемых результатов такая же, как при тестировании на стендах.

3. Время, затрачиваемое разработчиками на тестирование, значительно сокращается.

4. Программа позволяет получать архивы станции управления, аналогичные работе в реальных условиях.

5. «Виртуальный стенд» может использоваться не только для тестирования интеллектуальных алгоритмов, но и для тестирования станций управления.

Литература

  1. Горланов С.Ф. Внедрение и развитие технологий интеллектуального управления УЭЦН // Инженерная практика. №5, 2011. С. 81 – 83.
  2. Хорошев Е.С. Универсальная станция управления и системы ТМС // Инженерная практика. №4, 2012. С.106 – 109.
  3. Худяков Д, Маркелов Д. Интеллектуальные станции управления УЭЦН. // Нефтегазовая вертикаль. №11, 2011. С.64 – 68.
  4. Комелин А.В. Интеллектуальная автоматизированная система управления установкой электроцентробежного насоса: дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Уфа: ГОУ ВПО УГАТУ, 2006. 145 с.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Золотарев И.В.

    Золотарев И.В.

    к.ф.-м.н., начальник группы математического моделирования

    Департамент инновационных разработок, ЗАО «Новомет-Пермь»

    Пошвин Е.В.

    Пошвин Е.В.

    директор

    Департамент инновационных разработок, ЗАО «Новомет-Пермь»

    Просмотров статьи: 4143

    Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru