Разработка цифрового двойника узла автоматизированной системы управления дожимной насосной станции

В работе рассмотрена разработка автоматизированной системы управления узла дожимной насосной станции и цифрового двойника данного узла. Целью является повышение эффективности технологического процесса, уменьшение человеческого фактора управления производства и получение дополнительных данных для принятия решений.

Введение…………………………………………………………………………………………………… 15

1 Обзор источников литературы по тематике исследования ………………………. 16

1.1 Определение цифрового двойника……………………………………………………….. 16

1.2 Определение математической модели ………………………………………………….. 19

1.3 Основные этапы математического моделирования……………………………….. 19

1.4 Классификация математических моделей …………………………………………….. 20

2 Исходные данные и требования к разработке………………………………………….. 21

2.1 Описание технологического процесса дожимной насосной станции …….. 21

2.2 Основные цели и задачи цифрового двойника ……………………………………… 22

2.3 Описание технологического процесса выбранного узла ……………………….. 23

2.4 Требования к математическому обеспечению ………………………………………. 25

2.5 Требования к информационному обеспечению …………………………………….. 25

2.6 Требования к программной документации …………………………………………… 25

3 Разработка цифрового двойника …………………………………………………………….. 27

3.1 Этапы разработки ………………………………………………………………………………… 27

3.2 Выбор аппаратных и программных средств …………………………………………. 28

3.2.1 Программируемый логический контроллер ……………………………………….. 28

3.2.2 Технология OPC ……………………………………………………………………………….. 31

3.2.3 Программный пакет Matlab……………………………………………………………….. 32

3.2.4 Среда разработки SIEMENS TIA PORTAL ………………………………………… 34

3.3 Создание схемы информационных потоков …………………………………………. 35

3.4 Разработка математической модели …………………………………………………….. 37

3.4.1 Построение контуров регулирования ………………………………………………… 37

3.4.1.1 Контур регулирования воды …………………………………………………………… 37
3.4.1.2 Контур регулирования нефти …………………………………………………………. 43

3.4.1.3 Контур регулирования давления …………………………………………………….. 44

3.4.2 Объединение контуров в полную математическую модель ………………… 46

3.5 Организация связи между математической моделью и ПЛК …………………. 50

3.5.1 Настройка TIA Portal ………………………………………………………………………… 50

3.5.2 Настройка Process Simulator………………………………………………………………. 52

3.5.3 Настройка Simulink …………………………………………………………………………… 53

3.5.4 Разработка экранных форм ……………………………………………………………….. 57

3.5.5 Применение цифрового двойника для модернизации системы
управления ……………………………………………………………………………………………….. 58

4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение … 62

4.1 Организация и планирование работ ……………………………………………………… 62

4.1.1 Продолжительность этапов работ ……………………………………………………… 63

4.2 Расчет сметы затрат на выполнение проекта ………………………………………… 69

4.2.1 Расчет затрат на материалы ………………………………………………………………. 69

4.2.2 Расчет заработной платы …………………………………………………………………… 70

4.2.3 Расчет затрат на социальный налог …………………………………………………… 71

4.2.4 Расчет затрат на электроэнергию ………………………………………………………. 71

4.2.5 Расчет амортизационных расходов ……………………………………………………. 72

4.2.6 Расчет расходов, учитываемых непосредственно на основе платежных
документов ……………………………………………………………………………………………….. 73

4.2.7 Расчет прочих расходов…………………………………………………………………….. 73

4.2.8 Расчет общей себестоимости разработки …………………………………………… 73

4.2.9 Расчет прибыли ………………………………………………………………………………… 74

4.2.10 Расчет НДС …………………………………………………………………………………….. 74
4.2.11 Цена разработки НИР ……………………………………………………………………… 74

4.3 Оценка экономической эффективности проекта …………………………………… 75

5 Социальная ответственность ………………………………………………………………….. 76

5.1 Описание рабочего места …………………………………………………………………….. 77

5.2 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ………. 78

5.3 Производственная безопасность ………………………………………………………….. 80

5.4 Анализ опасных и вредных факторов …………………………………………………… 81

5.4.1 Повышенный уровень шума ……………………………………………………………… 81

5.4.2 Электробезопасность ………………………………………………………………………… 81

5.4.3 Отклонение показателей микроклимата рабочей зоны ………………………. 82

5.4.4 Недостаточная освещенность рабочей зоны ………………………………………. 83

5.4.5 Электромагнитные излучения …………………………………………………………… 86

5.4.6 Ионизирующие излучения ………………………………………………………………… 86

5.5 Экологическая безопасность………………………………………………………………… 88

5.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………….. 89

Заключение ………………………………………………………………………………………………. 92

Список литературы …………………………………………………………………………………… 93

Приложение A (обязательное) Development of a digital twin of the unit of an
automated control system of a booster pump station ………………………………………. 96

Данная работа посвящена созданию полноценного набора инструментов
для осуществления моделирования. В ходе исследования была разработана
пошаговая инструкция по осуществлению связи между контроллером Siemens
S7-1200 и программным пакетом MATLAB. Также в процессе работы была
построена математическая модель трехфазного сепаратора. 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 обзор данного технологического
процесса, приведены требования к разработке, а также обозначены цели и
задачи.
В третьем разделе осуществлена разработка цифрового двойника. Для
начала были определены этапы разработки, выбрано программное обеспечение
и построена схема информационных потоков. Построена модель трехфазного
сепаратора, входящего в состав дожимной насосной станции. Осуществлено
соединение математической модели с программным пакетом TIA Portal для
получения реальных данных с объекта. Написан код для передачи данных, а
также разработана SCADA-система для управления процессом сепарации и
работы с цифровым двойником сепаратора. Проведена модернизация системы
добавлением компенсации по возмущениям контуров контроля уровня нефти и
давления в сепараторе.
Также были рассчитана стоимость реализации проекта и его
экономическая эффективность, а также вредны и опасные факторы.

1. Digital Twin: перспективы использования цифровых двойников
[Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://nfp2b.ru/2019/01/09/digitaltwin-
perspektivy-ispolzovaniya-tsifrovyh-dvojnikov/ . – Заглавие с экрана. – Дата
обращения: 14.04.2020.
2. Гончаров А. С., Саклаков В. М. Цифровой двойник: обзор
существующих решений и перспективы развития технологии. elibrary.ru
(2018). — Статья в сборнике трудов Всероссийской научно-практической
конференции. Дата обращения 28.04.2020.
3. Jack Reid and Donna Rhodes, Digital system models: An investigation of
the non-technical challenges and research needs, Conference on Systems Engineering
Research, Systems Engineering Advancement Research Initiative, Massachusetts
Institute of Technology, 2016.
4. Сущность математического моделирования [Электронный ресурс]. –
Режимдоступа:https://studopedia.su/8_2926_sushchnostmatematicheskogo-
modelirovaniya.html . – Заглавие с экрана. – Дата обращения: 26.04.2020.
5. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем: Учеб. для
вузов. — 3-е изд., перераб. и доп.. — М.: Высш. шк., 2001. — 343 с.
6. Комягин А. Ф., Автоматизация производственных процессов и АСУ
ТП газонефтепроводов. Ленинград, 1983. – 376 с.
7. Попович Н. Г., Ковальчук А.В., Красовский Е.П., Автоматизация
производственных процессов и установок. – К.: Вищашк. Головное издво, 1986.
– 311с.
8. Нефтегазовые сепараторы со сбросом воды НГСВ [Электронный
ресурс] Режим доступа: http://www.tehnoeo.ru/product/separ/separato2/ Дата
обращения 20.04.2020.
9. Датчики уровня ДУУ2М [Электронный ресурс] Режим доступа:
http://albatros.nt-rt.ru/images/manuals/ATS_DUUM/ATS_DUU2M_RE.pdfДата
обращения 20.04.2020.
10. Расходомеры электромагнитные Метран-150 [Электронный ресурс]
Режимдоступа:http://mtnii.nt-rt.ru/images/manuals/Metran_150.pdfДата
обращения 20.04.2020
11. Фланцевый термометр сопротивления. С защитной гильзой. Модель
TR10-F.[Электронныйресурс]Режимдоступа:
https://www.wika.ru/upload/DS_TE6006_ru_ru_73802.pdf
12. Расходомеры электромагнитные Rosemount 8700 [Электронный
ресурс]Режимдоступа:http://metr-
k.ru/files/products/rosemount/rosemount8700/Rosemount_8700_rashodomery_elektr
omagnitnye.pdf
13. ГОСТ 21552-84 «Средства вычислительной техники. Общие
технические требования, правила приемки, методы испытаний, маркировка,
упаковка, транспортирование и хранение»
14.ГОСТ24.104-85ЕССАСУ«Автоматизированныесистемы
управления. Общие требования»
15.ГОСТ21.408-2013«Системапроектнойдокументациидля
строительства(СПДС).Правилавыполнениярабочейдокументации
автоматизации технологических процессов (с Поправками)»
16. S Masaev. Destruction of the Resident Enterprise in the Special Economic
Zone with Sanctions // IEEE. — 2019.
17.ПЛКS7-1200[Электронныйресурс]Режимдоступа:
https://www.siemens-pro.ru/docs/simatic/s7-1200/05_S7_1200_2015_rupart-1.pdf
18. OPC технология [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://opcserver.ru/services/opc-tekhnologiya/. – Заглавие с экрана. – Дата
обращения: 15.05.2020.
19. OPS Foundation. What is OPS? [Электронный ресурс] – Режим доступа:
https://opcfoundation.org/about/what-is-opc/ – Дата обращения: 15.05.2020 г
20.MATLAB[Электронныйресурс].–Режимдоступа:
https://matlab.ru/products/matlab. – Заглавие с экрана. – Дата обращения:
15.05.2020.
21. Ram S. Mohan, Ovadia Shoham, 1999. Design and Development of Gas-
Liquid Cylindrical Cyclone Compact Separators for Three-Phase Flow. In: Oil and Gas
Conference – Technology Options for Producers’ Survival, Dallas, Texas 28–30 June
1999. Dallas: DOE and PTTC.
22. Программное обеспечения в TIA Portal [Электронный ресурс]. –
Режимдоступа:https://new.siemens.com/ru/ru/produkty/avtomatizacia/industry-
software/automation-software/tia-portal/programmnoe-obespechenie.html.–
Заглавие с экрана. – Дата обращения: 20.05.2020
23.DocumentationfortheSiemensS7-1200URL:
https://new.siemens.com/fr/fr/produits/automatisation-entrainements/systemes-
automatisation/industrial/plc/simatic-s7-1200.html
24. ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования
к воздуху рабочей зоны.
25. ГОСТ Р 55710-2013 Освещение рабочих мест внутри зданий. Нормы
и методы измерений.
26. ГОСТ 12.1.003-2014 ССБТ. Шум. Общие требования безопасности.
27. Сапронов, Ю.Г. Аттестация рабочих мест по условиям освещённости:
лабораторный практикум по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности. –
Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2010. – 64 с.
28. ГОСТ 12.1.006-84 ССБТ. Электромагнитные поля радиочастот.
Общие требования безопасности.
29. ГОСТ 15484-81 Излучения ионизирующие и их измерения, термины и
определения
30. ГОСТ 12.1.019-2017 ССБТ. Электробезопасность. Общие требования
и номенклатура видов защиты
31. ГОСТ 12.1.004-91 ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования.