Автоматизированная система управления стендом поверки расходомеров

Введение

Требования нефтяных компаний к качеству обслуживания сервисными предприятиями того или иного оборудования, участвующего в таком сложном технологическом процессе, как добыча нефти, постоянно растут. Как было показано в предыдущих статьях [1, 2], каждый компонент установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) после ремонта на сервисном предприятии ЗАО «ЛУКОЙЛ ЭПУ Сервис» проходит тестирование на соответствующем стенде. Результаты тестирования оформляются в виде протокола и прикрепляются к паспорту установки. Протоколы тестирования по договору нефтяной компании «ЛУКОЙЛ» являются неотъемлемой частью паспорта установки. Без протоколов тестирования нефтяная компания не примет установку в эксплуатацию.

Погрешности и качество измерений контролируемых параметров на стендах определяют качество оказываемых услуг. Именно поэтому все новые стенды тестирования проходят первичную аттестацию при вводе в эксплуатацию и в дальнейшем ежегодно подвергаются периодической аттестации. Более того, плановая калибровка стендов производится раз в квартал.

Электроцентробежный насос (ЭЦН) является наиболее важным компонентом в составе УЭЦН, так как по его производительности определяется текущий дебит скважины. Все характеристики ЭЦН (напор, мощность, КПД), получаемые в процессе тестирования на стенде, зависят от подачи насоса. Поэтому расходомеры, установленные на стенде, раз в год проходят поверку. Для этого на базе ЗАО «ЛУКОЙЛ ЭПУ Сервис» был разработан стенд поверки расходомеров, автоматизированная система управления которым описана в данной статье.

Состав стенда и основные требования к системе управления

Стенд поверки расходомеров (рис. 1) состоит из следующих компонентов:

• измерительная ёмкость объёмом 1 м³, установленная на электронных весах;

• перекидное устройство с пневмоприводом;

• две магистрали измерения расхода;

• рабочая ёмкость объёмом 1,5 м³ (рис. 2);
  
  

• два насоса разной производительности – первый до 40 м³/сутки, второй до 86 м³/сутки (рис. 3);
  
  

• шкаф управления.

Стенд должен измерять:

• расход в диапазоне от 0,2 до 86 м³/ч с точностью 1%;

• давление до 500 PSI (фунт на квадратный дюйм);

• температуру рабочей жидкости (технической воды) до 50°C;

• температуру окружающей среды до 50°C;

• частоту импульсов до 2000 Гц;

• временной интервал до 100 мс;

• вес до 2000 кг;

• постоянный ток 4...20 мА.

Система управления стендом должна обеспечивать:

• управление оборотами привода насосов от 0 до 3000 об./мин;

• выбор насоса;

• установку желаемого расхода;

• переключение потока с рабочей ёмкости на измерительную и обратно;

• выбор расходомера;

• дистанционное управление весами.

Процесс поверки

Стенд позволяет производить поверку расходомера в сборе (турбинка и преобразователь), отдельно турбинки и отдельно преобразователя. Если расходомер в сборе, то есть турбинка и преобразователь уже согласованы производителем (как правило, это новый расходомер), то нам в процессе поверки необходимо определить зависимость выходного сигнала преобразователя (ток 4...20 мА) от расхода. Это можно сделать двумя методами.

Первый, наиболее быстрый метод заключается в следующем. По эталонному расходомеру устанавливаем необходимый расход. ПИД-регулятор поддерживает заданный расход путём изменения оборотов привода насоса. Для вычисления расчётного тока I_рас показание эталонного расходомера Q_ЭТ подставляем в следующую формулу:

где I_рас – расчётный ток поверяемого расходомера, мА; Q_ЭТ – расход эталонного расходомера, м³/ч; Q_max, Q_min — верхняя и нижняя границы диапазона поверяемого расходомера, м³/ч. Далее определяем относительную погрешность измеренного тока.

Второй метод заключается в том, что эталонный расход получается весовым способом. Для этого перекидное устройство переключает поток на измерительную ёмкость и одновременно запускается таймер. Вес, измеренный весами, пересчитывается в объём и делится на время. Таким образом, получается эталонный расход Q_ЭТ. Затем расчёт ведётся по формуле (1).

Также на стенде можно поверять преобразователь отдельно от турбинки. В этом случае с генератора на вход преобразователя подаётся частотный сигнал, а с выхода снимается ток.

Можно поверять и турбинку отдельно от преобразователя. Для этого выход магнитного датчика турбинки нужно подключить к счётчику импульсов. При поверке турбинки необходимо определить коэффициент, равный отношению количества импульсов к объёму жидкости, прошедшей через расходомер за определённое время. При этом объём жидкости можно получить как с помощью эталонного расходомера, так и весовым методом.

Ещё одна функция стенда заключается в том, что можно проверить погрешность измерения эталонных расходомеров по весам.

Аппаратное обеспечение

Основным критерием выбора контроллера системы управления стендом была способность контроллера производить измерения на основе приёма и обработки сигналов разных типов: сигналов постоянного тока (4...20 мА) от преобразователя расходомера и датчика температуры рабочей жидкости, сигналов напряжения (0...5 В) с датчика давления, а также сигналов счётчика импульсов внешней частоты и счётчика импульсов внутренней частоты для измерения миллисекундного интервала времени. С целью уменьшения погрешности преобразования решено было эталонные значения расходов получать по последовательному порту.

В силу этих причин в качестве базового элемента системы управления был выбран модуль микроконтроллера CPU188-5MX фирмы Fastwel. Отличительной особенностью данного модуля является то, что в своём составе он имеет универсальный порт ввода-вывода UNIO48 (разъёмы J8, J9). Порт реализован на программируемой логической микросхеме FPGA и предназначен для ввода-вывода 48 логических сигналов. Схема порта может изменяться непосредственно в системе (технология ISP) без выключения питания с помощью утилит isl188.com и isp188.com.

Функциональная схема системы управления стендом поверки расходомеров приведена на рис. 4. Внешний вид аппаратуры системы управления показан на рис. 5.

На монтажной панели MPB-16 фирмы Octagon Systems собраны модули УСО с гальванической развязкой. Это дискретные и аналоговые модули серий OpenLine и G5 фирмы Grayhill. Их состав, тип и назначение отражает табл. 1.

Монтажная панель МРВ-16 подключена к универсальному порту J8 модуля микроконтроллера. Для этого порта используется прошивка N00, обеспечивающая работу с модулями Grayhill.

Ко второму универсальному порту J9 модуля микроконтроллера подключена клеммная плата STB-26 (Octagon Systems). Порт запрограммирован на работу четырёх счётчиков импульсов и использует прошивку T01. Задействовано только два счётчика (остальные в резерве): первый счётчик предназначен для подсчёта импульсов с турбинки (внешняя частота), второй — для определения времени переключения перекидного устройства (используется внешняя частота заполнения 1 МГц).

Для изменения оборотов приводов насосов (регулирования расходов) используется частотный преобразователь Hitachi серии L300P. Индикаторы JUMO на лицевой панели шкафа управления отображают измеренный ток и температуру окружающей среды, которую измеряет внешняя термопара, подключённая непосредственно к одному из индикаторов. Вторичный преобразователь весов CAS CI-6000A встроен в дверь шкафа управления. Весы передают сигнал по последовательному порту непосредственно на компьютер оператора.

Эталонные расходомеры передают измеренный расход по последовательному интерфейсу в порт COM2 микроконтроллера, используя протокол RS-485. Для согласования этого протокола с протоколом интерфейса RS-232 микроконтроллера применён модуль преобразователя ADAM-4521 фирмы Advantech, образующий совместно с перечисленными интерфейсами измерительный канал расхода.

Конфигурирование эталонных расходомеров «Взлёт» производится с помощью штатного программного обеспечения, установленного на компьютере АРМ оператора. Связь порта RS-485 расходомера с USB-портом компьютера АРМ оператора реализована через соответствующие интерфейсы и модуль преобразователя ADAM-4561 (Advantech), вместе образующие канал конфигурирования расходомеров «Взлёт».

Последовательный порт COM1 микроконтроллера используется для его связи с компьютером АРМ оператора.

Модуль микроконтроллера размещён в монтажном каркасе 5274 с блоком питания 7155 (Octagon Systems).

Таким образом, с помощью всего одного модуля микроконтроллера CPU188-5MX, имеющего универсальный порт ввода-вывода, решена проблема сбора электрических сигналов различных типов, что существенно снизило стоимость системы управления в целом.

Программное обеспечение

Программа управления процессом поверки расходомеров разработана на языке программирования Visual Basic 5.0. 

На рис. 6 показана основная форма программы, которая включает 4 закладки: «Ввод данных испытания», «Калибровка перекидного устройства», «Проверка турбинки», «Калибровка стенда». Как видно из рис. 6, в процессе поверки весь диапазон разбивается на 5 точек. В каждой точке снимается по 5 замеров. При необходимости, если какой-либо замер выпал из нормальных значений, его можно обнулить и повторить замер заново. Форма содержит управляющие кнопки, обеспечивающие выбор насоса, выбор расходомера, установку расхода, управление двигателем.

По результатам поверки генерируется отчёт, форма которого представлена на рис. 7.

Программа для CPU188-5MX разработана в среде программирования промышленных контроллеров UltraLogik32. Использован штатный ПИД-регулятор из библиотеки, поставляемой с системой разработки. На уровне микроконтроллера идёт преобразование кодов в физические величины, фильтрация сигналов, их масштабирование и первичная обработка. На языке С++ разработано программное обеспечение последовательного порта, предназначенного для чтения значений с эталонных расходомеров.

В качестве связующего звена между уровнями системы управления используется ОРС-сервер UltraNet32.

Заключение

В настоящее время разработанный стенд проходит аттестацию для использования его в качестве средства измерения в метрологической службе нашего предприятия. Успешное внедрение стенда ещё раз подтвердило возможность быстрой и относительно простой разработки качественных систем управления на основе применения средств автоматизации таких фирм, как Octagon Systems и Fastwel, и системы программирования промышленных контроллеров UltraLogik32. ●

Литература

1. Комелин А. Автоматизированная система управления стендами тестирования погружного электрооборудования // Современные технологии автоматизации. 2004. № 3. С. 16-23.

2. Комелин А. Автоматизированная система управления стендом тестирования гидрозащиты погружного электродвигателя // Современные технологии автоматизации. 2005. № 2. С. 58-61. 

Автор — сотрудник ЗАО «ЛУКОЙЛ ЭПУ Сервис»
Телефон: (34667) 497-50
Факс: (34667) 497-46