На правах рукописи
ЧЕРЕЗОВ Кирилл Михайлович
РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНЫХ ИМИТАТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ
Специальность 05.02.22 – Организация производства
(нефтегазовая отрасль)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тюмень 2011
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» на кафедре «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,
Заслуженный деятель науки РФ
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Заведующий отделом эксплуатации и ремонта
скважин и скважинного оборудования
г. Тюмень
кандидат технических наук, доцент
Ген. директор
(Проектирование, строительство и эксплуатация
объектов нефтегазового комплекса), г. Тюмень
Ведущая организация: Общество с ограниченной ответственностью
«ЛУКОЙЛ-Инжиниринг», г. Москва
Защита диссертации состоится « » декабря 2011 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.08 в Тюменском государственном нефтегазовом университете Россия, 8, зал им. .
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре ТюмГНГУ по адресу 2.
Автореферат разослан « » ноября 2011 года.
|
Ученый секретарь диссертационного совета |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Постоянное увеличение доли высокотехнологичного и дорогостоящего оборудования, его сложность и энергоемкость, опасность целого ряда производственных процессов, как в нефтегазовой, так и других отраслях промышленности, вызвало появление программно-аппаратных средств, имитирующих и отображающих реальные процессы в виртуальной среде. Применение таких средств позволяет проводить мониторинг, исследование и анализ технологических процессов, оценивать эффективность новых технологических и технических решений, совершенствовать основные и вспомогательные производственные процессы. Решение указанных задач на основе компьютерных имитаторов не требует вмешательства в производственные процессы, исключает в процессе имитации возможность возникновения реальных инцидентов и аварий в случае неверных технических и технологических решений и ошибочных действий персонала. Материальные затраты при компьютерной имитации значительно меньше, чем при выполнении аналогичных работ на реальном оборудовании.
Проблемы разработки компьютерных имитационных тренажеров и их программного обеспечения приведены в работах , , T. Kanade, P. J. Narayanan, P. Rander. Вопросами разработки и производства компьютерных имитаторов занимаются такие известные фирмы, как Honeywell, Boeing, British Petroleum, Total, DrillSim и другие.
Несмотря на эффективность имитаторов, их внедрение осложнено отсутствием описания специфики имитаторов как класса программного обеспечения, отсутствием пользовательских требований и требований к составу имитаторов, методов реализации его составных элементов. Указанные затруднения сдерживают разработку и внедрение имитаторов, позволяющих повысить уровень производственной деятельности предприятий нефтегазовой отрасли.
Цель работы. Обоснование и разработка методов компьютерного имитирования технологических процессов и оборудования предприятий нефтегазовой отрасли.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
исследование современного состояния вопроса по разработке и применению имитаторов в нефтегазовой отрасли; определение специфики имитаторов, как класса программного обеспечения (классификация); выявление и систематизация пользовательских требований к создаваемым имитаторам для нефтегазовой отрасли; обоснование принципиального состава имитаторов, определение методов реализации их элементов; на основе полученных результатов разработать имитатор установки штангового скважинного насоса (УШСН).Объект исследования: компьютерная имитация процесса эксплуатации и обслуживания УШСН.
Предмет исследования: программно-аппаратная платформа и методы разработки компьютерных имитаторов.
Методы исследования. При исследовании использованы методы теории графов, математического моделирования, теории компьютерной графики, теории алгоритмов и программирования.
Научная новизна
Систематизированы пользовательские требования к компьютерной имитации технологических процессов и оборудования в нефтегазовой отрасли. Предложена классификация структуры имитаторов, обеспечивающая определение его составных элементов и их взаимосвязей в зависимости от целевого назначения. Обоснована формализованная последовательность построения имитаторов, основанная на интеграции технологии распределенного имитационного моделирования и технологии предоставления электронного образовательного контента.Практическая значимость
Систематизация пользовательских требований к имитаторам для нефтегазовой отрасли позволяет устранить проблемы, возникающие между разработчиками, заказчиками и конечными пользователями имитаторов. Унификация структуры имитаторов и методов реализации их элементов позволяет многократное применение отдельных модулей при описании различных производственных процессов. Формализованная последовательность построения имитаторов реализована на примере УШСН, позволяющего осуществлять имитацию основных технологических операций обслуживания установки в процессе эксплуатации.Положения, выносимые на защиту
Классификация имитаторов технологических процессов и оборудования для нефтегазовой отрасли; Систематизация пользовательских требований к компьютерным имитаторам. Обоснование выбора технологии распределенного имитационного моделирования при создании имитаторов производственных процессов; Имитатор установки скважинного глубинного насоса (УШСН).Реализация и внедрение результатов работы
Результаты работы используются при разработке компьютерных имитаторов в Научно-исследовательском институте электронных образовательных ресурсов Тюменского государственного нефтегазового университета (НИИ ЭОР ТюмГНГУ), внедрены в трансгаз Югорск» в виде имитатора «Поиск неисправностей при обходе оборудования компрессорного цеха», в учебный центр в виде имитаторов «Техническое обслуживание, текущий и капитальный ремонт интеллектуального преобразователя давления YOKOGAWA EJX 430», «Техническое обслуживание, текущий ремонт, подключение и настройка электропривода задвижки ЭПЦ-100», «Технология процесса пуска и приема средств очистки и диагностики трубопроводов». Компьютерный имитатор кинематики станка-качалки передан для внедрения в учебный процесс РГУ нефти и газа им. . Разработанный компьютерный имитатор УШСН применяется в учебном процессе ТюмГНГУ. В настоящее время на основе результатов исследований для создается комплекс компьютерных имитаторов для различных технологических процессов и применяемого оборудования.
Апробация научных положений и результатов работы
Основные положения и результаты работы докладывались на региональной научно-технической конференции «Информационные технологии в образовании» (Тюмень, 2004 г.); международной научно-практической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2005 г.); Всероссийском форуме «Современная образовательная среда – 2006» (Москва, 2006 г.); Всероссийском форуме «Современная образовательная среда – 2010» (Москва, 2010 г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано девять печатных работ, из которых четыре в рекомендованных ВАК РФ изданиях, на созданные имитационные комплексы получены четыре свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ (№ 000, 2010613033, 2010613035, 2006611727).
Комплекс компьютерных имитаторов по работе и обслуживанию УШСН экспонировался на Всероссийской выставке «Современная образовательная среда - 2010» и награжден золотой медалью и дипломом первой степени.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, изложенных на 141 странице машинописного текста, содержит 40 рисунков и графиков, 8 таблиц. Список литературы состоит из 105 источников.
Содержание работы.
Во введении приводится общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.
В первой главе анализируются современные тенденции программно-аппаратной имитации производственных процессов.
Проведенные исследования показывают, что такие термины, как «компьютеризация производственного процесса», «виртуальный технологический процесс», «имитаторы», «информационная обучающая система», «автоматизированная обучающая система», «интерактивные обучающие системы», «системы формирования виртуальной реальности» и т. д., приводимые в проанализированных работах, в настоящее время трактуются совершенно по-разному, либо приводятся вообще без определения. В значительной степени это связано с тем, что программно-аппаратные средства для имитации технологических процессов (имитаторы) развиваются в контексте разнонаправленных научных векторов – информатика, компьютеризация, компьютерная графика, инженерная психология, эргономика, когнитивная наука, и т. д.
Отсутствие точной и однозначной трактовки термина «имитатор» вызывает множество трудностей, как при разработке, так и при внедрении средств компьютерной имитации и приводит к взаимонепониманию между разработчиками, заказчиками и конечными пользователями имитаторов. Для решения указанной проблемы предложена классификация, основанная на рассмотрении имитаторов с двух позиций:
- имитаторы - как отдельный класс программно-аппаратного обеспечения, имеющий множество отличительных признаков (рисунок 1). имитаторы - как структурные компоненты технологического процесса, определяемые целевым назначением имитатора (рисунок 2).
Рисунок 1. Классификация имитаторов как отдельного класса программного обеспечения
Рисунок 2. Классификация имитаторов, как структурных компонентов технологических процессов в соответствии с целевым назначением
Пример структурного компонента одного из вспомогательных процессов – подготовка и тренинг персонала, приведен на рисунке 3.
Рисунок 3. Пример структурного компонента процесса подготовки и тренинга персонала предприятия
На схеме (рисунок 4) представлены области применения компьютерных имитаторов в производственном процессе нефтегазового предприятия.
Рисунок 4. Схема «Области применения имитационного моделирования в производственном процессе»
Таким образом, определена специфика имитаторов как класса программного обеспечения и области их применения в производственном процессе.
Для решения задачи определения и систематизации требований к имитаторам с точки зрения различных категорий пользователей - заказчиков, обучаемых, инструкторов и разработчиков, проанализированы и изучены материалы зарубежных конференций, данные фирм, занимающихся разработкой и производством имитаторов, обобщен опыт проектирования и применения имитаторов в Научно-исследовательском институте электронных образовательных ресурсов Тюменского государственного нефтегазового университета. Выявлены следующие основные пользовательские требования:
- общие эргономические требования (индивидуализация, удобство тренинга, ясность, четкость, облегчение понимания, устранение перегрузки восприятия, учет психофизиологических особенностей людей с ограниченными возможностями и т. д.); уровень соответствия (подобия) синтезируемого изображения оригиналу; уровень соответствия синтезируемого звукового окружения оригиналу; уровень соответствия механизмов управления оригиналу (ввод информации, перчатки, VR); адекватность и универсальность математической модели; возможность работы в реальном времени, а также в ином масштабе времени; многопользовательский доступ.
Перечень пользовательских требований определяется целевой группой при составлении технического задания на имитатор.
Вторая глава посвящена определению и обоснованию принципиального состава имитаторов и формализованной последовательности разработки их составных элементов.
Структура применяемых в настоящее время имитаторов зависит от набора ограничений, накладываемых техническим заданием и областью применения. За основу при построении структуры имитаторов принята высокоуровневая архитектура (HLA).
Для исследования структуры имитаторов применена теория графов. Граф рассматривается как множество элементов и связей между ними, что соответствует архитектуре HLA:
| (1) |
,где Elem - множество элементов модели;
Link - множество связей, демонстрирующих взаимоотношения элементов модели между собой.
| (2) |
,где fed - федерация;
- множество федератов;
- множество специальных федератов (пользователи, участники);
- множество математических имитационных моделей;
- множество объектов;
- множество атрибутов.
Рассмотрена структура каждого элемента модели (рисунок 5).
Рисунок 5. Классификация элемента HLA – федерации
Федерация:
| (3) |
, 
, 
,где fed - федерация в общем виде;
- количество федератов, входящих в текущую федерацию;
k - количество специальных федератов, входящих в текущую федерацию;
- множество специальных федератов (пользователей);
- специальный федерат;
- множество федератов;
- федерат.
При этом если 
или 
- имитатор не имеет смысла; 
- это многопользовательский имитатор; 
- это распределенный имитатор; 
- статическая структура, 
- структура динамическая.
Специальный федерат - федерат, отражающий взаимодействие пользователя с рассматриваемой системой компьютерной имитации (вместо пользователя это может быть, например, другой имитатор или другая система). Как правило, функциями данного федерата являются синтезирование графики или звука, взаимодействие с устройствами ввода-вывода, обмен информации с другими системами (например, LMS-системой) и т. д., которые описываются следующим множеством:
| (4) |
,где 
- федерат в общем виде;
- множество объектов;
Math - имитационная модель;
- заранее заложенные в систему объекты;
- заранее заложенная имитационная модель.
При этом, если 
- без имитационной модели, иначе с мат. мод.; 
- специальный федерат (с заранее определенными объектами и специальной имитационной моделью); 
- обычный федерат (рисунок 6).
Объекты представлены следующим множеством:
| (5) |
,где Object - множество объектов модели в общем виде;
- множество объектов, описывающих геометрию и внешний вид оборудования или процессов (3D объекты);
- множество объектов, описывающих звуковые излучатели;
- множество объектов, описывающих текстовые данные;
- заранее заложенные в систему объекты.
| (6) |
, 
, 
,где 
- множество атрибутов объекта.
| (7) |
,где 
- атрибуты.
Рисунок 6. Классификация элемента HLA – федерата
Множество ребер графа описывается выражением:
| (8) |
где:
- постоянные ребра (Linkconst
) – связь однажды закрепляется в модели и не изменяется в процессе функционирования имитатора;
- перенаправляемые ребра (
Linkvar) – возникают, когда в процессе работы имитатора управление объектами переходит от одного федерата другому;
- создаваемые (Linkmake
) – когда мощность множества федератов, входящих в федерацию, увеличивается в процессе функционирования имитатора.
Определение множества вершин и ребер позволяет классифицировать внутреннюю структуру имитаторов (рисунок 7) и построить модель, на основе которой формулируются ограничение на процессы композиции - декомпозиции, выбираются направления декомпозиции и определяются рекомендации по созданию имитаторов.
Рисунок 7. Внутренняя структура имитаторов
Статическая структура применяется в имитаторах, когда происходит имитация единичного неделимого объекта (или процесса), структура взаимодействий которого не изменяется. Например, имитация кинематики станка качалки. Динамическая структура с перераспределением применяется для имитации процессов, в которых происходит передача одного федерата к другому, например, запуск очистного устройства и его прием. Динамическая структура с порождением применяется для имитации в случаях, когда в процессе имитации появляются новые объекты или федераты. Например, появление нового очага пламени на объекте. Примером имитации с перераспределением и порождением может служить появление нового очага пламени и его переход на другой производственный объект.
Применение спецификации HLA позволяет формализовать процесс проектирования имитаторов к следующей последовательности:
- определение состава федерации,
- создание математических моделей федератов,
- определение атрибутов объектов и т. д.
Таким образом, решена задача обоснования принципиального состава имитаторов, определение методов реализации их элементов.
Третья глава посвящена разработке имитационной модели УШСН. На основе предложенной классификации рассматривается построение имитационной модели, приводится структура ее элементов и их объединение (рисунок 8).
На этапе составления технического задания установлены необходимые параметры имитатора на основе определенных пользовательских требований. Степень соответствия синтезируемого изображения оригиналу принята как психофизическое подобие. Степень соответствия синтезируемого звукового окружения – объемное звуковое сопровождение. Степень соответствия механизмов управления оригиналу – базовые устройства ввода-вывода ПК (монитор, клавиатура, манипулятор).
При разработке имитаторов принято, что адекватность математических моделей кинематических и силовых параметров УШСН должна составлять не менее 95%.
В качестве примера на рисунке 9 приведены фактическая (полученная, в результате измерений на реальном объекте, при заданных условиях) и полученная на имитаторе динамограммы, показывающие изменение нагрузки в точке подвеса насосных штанг в зависимости от их перемещения. Отклонение значений не превышает 3%. Масштаб времени – реальное время.
Имитационная модель УШСН содержит следующие основные модули: привод штангового скважинного насоса (ПШСН), станция управления, оборудование устьевое (ОУ), колонна штанг, скважина, штанговый скаженный насос (ШСН), динамограф. Кроме перечисленных, имитатор содержит модули вспомогательных объектов (стяжка балансира со стойкой, гаечные ключи и др.).
Рисунок 8. Структура имитатора УШСН
Рисунок 9. Сравнение фактической и имитируемой динамограммы работы УШСН
В диссертации представлены другие примеры адекватности математических моделей.
В четвертой главе представлены результаты апробации имитатора (рисунок 10) УШСН при выполнении следующих технологических операций основных процессов по ее эксплуатации и обслуживанию:
пуск и останов УШСН, в том числе останов в необходимом положении (рисунок 10, «а»); изменение режима работы УШСН в зависимости от объема добываемой нефти, включая операции по изменению длины хода точки подвеса штанг, изменение количества двойных ходов (рисунок 10, «б»); ремонтные операции по замене двигателя и шкивов УШСН; операции по балансировке УШСН, включающие помимо перемещения грузов на кривошипе и интерпретацию показаний амперметра (рисунок 10, «в» и «г»);
Рисунок 10. Рабочие экраны имитатора УШСН
динамометрирование и выявление характерных неисправностей погружной части УШСН , определение параметров добываемой жидкости (газовый фактор, парафины и т. д.), включая операции монтажа динамографа, записи динамограммы, демонтажа динамографа и отображение полученных данных (рисунок 10, «д» и «е»); моделирование аварийных ситуаций, возникающих при работе УШСН, и устранение возникающих неисправностей (обрыв штанг, перегрев или перегрузка электродвигателя, техническое состояние: устьевого оборудования, редуктора, клапанных узлов насоса, плунжерно-цилиндровой пары) (рисунок 10, «г»).
Рисунок 11. Рабочий экран имитатора УШСН
Выводы по работе
Установлено, что компьютерные имитаторы для нефтегазовой отрасли являются эффективным инструментарием отработки технологических и технических решений функционирования и совершенствования производственных процессов и оборудования. Определена специфика имитаторов как класса программного обеспечения и области их применения в производственных процессах. Исходя из целевого назначения имитаторов, выявлены и обоснованы предъявляемые к ним пользовательские требования. Определен принципиальный состав и предложена формализованная последовательность разработки имитаторов и их элементов. Результаты исследований реализованы на примере имитатора технологических операций при эксплуатации, обслуживании и ремонте установки штангового скважинного насоса.Список работ по теме диссертации
Сызранцев тренажеры для обучения студентов нефтегазового направления / , , // Бурение и нефть. – 2006. – №10. – С.34-36. Черезов имитационный тренажер для исследования работы установки скважинного глубинного насоса / // Известия вузов. Нефть и газ. – 2010. – №3. – С.101-106. Черезов проектирования и использования тренажеров по работе установки штангового глубинного насоса / , // Известия вузов. Нефть и газ. – 2010. – №4. – С.40-44. Черезов имитаторов в процессе управления рисками (менеджмент риска) / , // Известия вузов. Нефть и газ. – 2011. – №2. – С.127-129. Черезов моделирование расчета кинематики станка-качалки / , // Нефть и газ Западной Сибири: Матер. межд. Науч.-техн. конф. (25-27 окт.2005 г.) Т.1. – Тюмень «Феликс», 2005. – С.113. Черезов моделирование устройства и работы автоматической групповой замерной установки / , // Нефть и газ Западной Сибири: Матер. межд. Науч.-техн. конф. (25-27 окт.2005 г.) Т.1. – Тюмень «Феликс», 2005. – С.112. , Черезов модель процесса сборки и разборки насоса НТП-75 / , // Проектирование и эксплуатация нефтегазового оборудования: проблемы и решения: Материалы Всероссийской науч.-техн. конф. (4-5 ноября 2004г.) – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. – С.169-171. Черезов модель промывки скважины / // Информационные технологии в образовании: Тез. докл. регион. науч.-практич. конф. (20 мая 2004 г.) Т.1. – Тюмень «ТюмГНГУ», 2004. – С.18-20. Черезов модель процесса сборки и разборки насоса НТП-75 / // Информационные технологии в образовании: Тез. докл. регион. науч.-практич. конф. (20 мая 2004 г.) Т.1. – Тюмень «ТюмГНГУ», 2004. – С.68-69. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 000 Лабораторная работа «Уравновешивание привода УШСН» Зарегистрировано 4.05.2010 г. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 000 Лабораторная работа «Изменение режима работы эксплуатации УШСН (изменение длины хода)» Зарегистрировано 7.05.2010 г. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 000 Лабораторная работа «Динамометрирование УШСН» Зарегистрировано 7.05.2010 г. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 000 Лабораторная работа «Кинематика станка-качалки» Зарегистрировано 24.05.2006 г.Подписано в печать:18.11.2011. Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 1,0.
Тираж 100 экз. Заказ № .
Библиотечно-издательский комплекс
государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет».
625000, Тюмень, .
Типография библиотечно-издательского комплекса.
625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.
