Разработка модуля планирования процесса нефтедобычи с использованием цифровых двойников
В настоящей работе приведены решения по разработке модуля планирования нефтедобычи. В процессе выполнения изучен технологический процесс механизированной нефтедобычи при помощи УЭЦН, разработаны алгоритмы для повышения энергоэффективности куста скважин, разработано приложение для реализации полученных алгоритмов и отображения параметров технологического процесса. Приложение осуществляет информационный обмен с цифровым двойником посредством OPC и все полученные данные записывает в базу данных.
Введение ………………………………………………………………………………………………………………………16
Обозначения и сокращения …………………………………………………………………………………………..18
1 Обзор литературы ………………………………………………………………………………………………………19
2 Требования к разработке…………………………………………………………………………………………….22
2.1 Наименование………………………………………………………………………………………………………22
2.2 Область применения …………………………………………………………………………………………….22
2.3 Основание для разработки ……………………………………………………………………………………22
2.4 Назначение разработки ………………………………………………………………………………………..22
2.5 Требования к программе или программному изделию …………………………………………..23
2.5.1 Требования к функциональным характеристикам ……………………………………………23
2.5.2 Требования к надежности……………………………………………………………………………….23
2.5.3 Условия эксплуатации ……………………………………………………………………………………24
2.5.4 Требования к параметрам и составу технических средств ……………………………….25
2.5.5 Требования к информационной и программной совместимости ………………………25
2.5.5.1 Требования к программным средствам ……………………………………………………..25
2.5.5.2 Требования к исходным кодам и языкам программирования……………………..25
2.5.6 Специальные требования ……………………………………………………………………………….26
2.6 Требования к программной документации ……………………………………………………………26
3 Разработка модуля ……………………………………………………………………………………………………..27
3.1 Объект автоматизации ………………………………………………………………………………………….27
3.1.1 Технологический процесс ………………………………………………………………………………27
3.1.2 Объем автоматизации …………………………………………………………………………………….28
3.1.3 Цифровой двойник …………………………………………………………………………………………29
3.2 Разработка алгоритма …………………………………………………………………………………………..30
3.2.1 Первая часть алгоритма ………………………………………………………………………………….31
3.2.2 Вторая часть алгоритма ………………………………………………………………………………….32
3.3 Выбор технологий и используемого ПО ……………………………………………………………….36
3.3.1 Язык программирования ………………………………………………………………………………..36
3.3.2 Интегрированная среда разработки …………………………………………………………………36
3.3.3 Передача данных ……………………………………………………………………………………………37
3.3.4 Хранение данных …………………………………………………………………………………………..41
3.3.5 Схема информационных потоков ……………………………………………………………………44
3.4 Создание модуля ………………………………………………………………………………………………….45
3.4.1 Настройка цифрового двойника ……………………………………………………………………..45
3.4.2 Настройка OPC-сервера ………………………………………………………………………………….48
3.4.3 Создание БД …………………………………………………………………………………………………..50
3.4.4 Настройка подключения …………………………………………………………………………………54
3.4.5 Разработка приложения ………………………………………………………………………………….56
3.5 Проверка работоспособности ……………………………………………………………………………….60
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение …………………….65
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования ……………………………………….65
4.1.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения ………………………………………………………………………………………………..66
4.1.2 SWOT-анализ …………………………………………………………………………………………………67
4.2 Планирование управления научно-техническим проектом…………………………………….69
4.2.1 План проекта ………………………………………………………………………………………………….69
4.2.1.1 Структура работ в рамках НТИ …………………………………………………………………69
4.2.1.2 Определение трудоемкости выполнения работ в рамках НТИ……………………70
4.3 Бюджет научного исследования ……………………………………………………………………………74
4.3.1 Сырье, материалы, покупные изделия и полуфабрикаты …………………………………74
4.3.2 Специальное оборудование для научных работ ………………………………………………75
4.3.3 Расчет основной заработной платы исполнителей НТИ …………………………………..76
4.3.4 Расчет дополнительной заработной платы исполнителей НТИ ………………………..77
4.3.5 Расчет отчислений во внебюджетный фонды ………………………………………………….77
4.3.6 Научные и производственные командировки ………………………………………………….78
4.3.7 Расчет накладных расходов…………………………………………………………………………….78
4.3.8 Расчет бюджета НТИ ……………………………………………………………………………………..79
4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, социальной и
экономической эффективности исследования …………………………………………………………….79
4.4.1 Оценка сравнительной эффективности исследования ……………………………………..79
4.4.2 Оценка абсолютной эффективности исследования ………………………………………….82
4.4.2.1 Расчет чистой текущей стоимости …………………………………………………………….82
4.4.2.2 Дисконтированный срок окупаемости ………………………………………………………84
4.4.2.3 Внутренняя ставка доходности (IRR) ………………………………………………………..84
4.4.2.4 Индекс доходности (рентабельности) инвестиций …………………………………….86
5 Социальная ответственность ………………………………………………………………………………………87
5.1 Введение ……………………………………………………………………………………………………………..87
5.2 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности………………………..87
5.3 Производственная безопасность …………………………………………………………………………..89
5.3.1 Термические опасности на рабочем месте ………………………………………………………90
5.3.2 Электробезопасность на рабочем месте…………………………………………………………..91
5.3.3 Отклонение показателей микроклимата рабочей зоны …………………………………….92
5.3.4 Недостаточная освещенность рабочей зоны ……………………………………………………92
5.3.5 Повышенный уровень электромагнитных излучений на рабочем месте …………..93
5.3.6 Умственные перегрузки………………………………………………………………………………….94
5.4 Экологическая безопасность ………………………………………………………………………………..95
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях………………………………………………………………97
5.6 Выводы по разделу ………………………………………………………………………………………………99
Заключение…………………………………………………………………………………………………………………100
Список публикаций …………………………………………………………………………………………………….101
Список источников ……………………………………………………………………………………………………..103
Приложение А. Development of a planning module for the oil production process using digital
twins …………………………………………………………………………………………………………………………..103
Приложение Б. Функциональная схема автоматизации добывающей скважины …………..126
Приложение В. Блок-схема структурной оптимизации (первая часть алгоритма) ………….127
Приложение Г. Блок-схема планирования (вторая часть алгоритма) …………………………….128
Приложение Д. Схема информационных потоков ………………………………………………………..129
Приложение Е. Листинг алгоритма ……………………………………………………………………………..130
В современном мире большую роль играет автоматизация
технологических процессов, потому что в условиях рыночной экономики
предприятиям необходимо повышать производительность, сокращать сроки
выпуска продукции, выполнять задачи, которые недоступны человеческим
рукам. Поэтому невозможно представить предприятие без
автоматизированных производственных линий, ведь автоматизация позволяет
освободить человека от выполняемых функций и переложить их на систему
АСУТП. Автоматизированная система управления технологическим
представляет из себя совокупность программных средств, таких как ПО для
ЭВМ и ПО для ПЛК, а также технических средств, таких как датчики и
исполнительные устройства.
В последние годы требования к системам автоматизации изменились и
теперь недостаточно передачи функции человека, касающихся управления и
контроля, оборудованию, также необходимо сокращать производственные
издержки, а значит нужно оптимизировать использование энергии и ресурсов,
проведение технического обслуживания систем автоматизации.
Рассмотрим непосредственно процесс нефтедобычи, в котором
автоматизация получила широкое распространение. На основании источника
[1] проанализируем использование электроэнергии нефтедобывающим
предприятием. Большая часть электроэнергии потребляется на
глубиннонасосную добычу нефти, а именно 46 %, следовательно, необходимо
оптимизировать затраты энергии насосного оборудования.
Целью магистерской диссертации является создание модуля
планирования процесса нефтедобычи, который реализовывал бы алгоритм
определения оптимальных дебитов скважин с учетом максимизации
энергоэффективности работы насосного оборудования В данном случае,
модуль – это программное обеспечение, которое реализует заложенные
алгоритмы определения необходимых дебитов скважин, обмен информацией
с OPC сервером, запись параметров технологического процесса в базу данных
и отображение параметров технологического процесса в удобной для человека
форме, а именно в виде графиков и экранных форм.
Для разработки программного обеспечения необходимо решить ряд
задач:
1) Изучить управление насосными агрегатами и определить наиболее
энергоэффективный;
2) Разработать алгоритм нахождения оптимальных уставок для
насосных агрегатов;
3) Выбрать необходимые технологии для реализации модуля:
− язык программирования;
− библиотеки;
− ПО для разработки программы;
4) Подготовить «стенд» для тестирования:
− организовать удаленный сервер для запуска цифрового двойника;
− разместить на сервере OPC-сервер;
− подготовить сервер БД и СУБД;
5) Реализовать модуль;
6) Проверить работоспособность не тестовом «стенде».
Обозначения и сокращения
В работе используются следующие обозначения и сокращения:
АРМ – автоматизированное рабочее место;
АСУТП – автоматизированная система управления технологическим
процессом;
БД – база данных;
КПД – коэффициент полезного действия;
НКТ – насосно-компрессорные трубы;
НТИ – научно-техническое исследование;
ООП – объектно-ориентированное программирование;
ПДУ – предельно допустимый уровень;
ПК – персональный компьютер;
ПЛК – программируемый логический контроллер;
ПО – программное обеспечение;
ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина;
ПЭД – погружной электродвигатель;
СУБД – система управления базами данных;
УЭЦН – установка электроприводного центробежного насоса;
ЭВМ – электронно-вычислительная машина;
ЭЦН – электроцентробежный насос;
ER – entity-relationship;
HDA – historical data access;
HMI – human-machine interface;
OPC – open platform communication;
SCADA – supervisory control and data acquisition;
SDK – software development kit;
SQL – structured query language.
1 Обзор литературы
Любая современная компания стремится к увеличению прибыли и
успешному развитию, при которых риски должны быть минимальными. Для
достижения этих целей используют один из этапов процесса управления
компанией или производством – планирование. Основная роль планирования
заключается в нахождении управленческих решений. Что характеризуется
тем, что в процессе планирования устанавливают цели и распределяют
ресурсы системы в целом. Планирование позволяет определять формы,
характер и последовательность будущих действий [2].
Одним из первых упоминаний о появлении задачи планирования
считается создание первых городов или площадок, где было необходимо
координировать работу большого числа людей: в строительной и военных
областях, в области безопасности жизнедеятельности, священнослужителей и
т.д. [3].
Процесс планирования, как правило, разделяют на три этапа:
1. определение количественных показателей, которые способствуют
компании в достижении поставленных целей;
2. выделение определяющих действий для достижения целей. Здесь
во внимание принимаются как внешние, так и внутренние факторы;
3. разработка системы планирования, которая является гибкой и
обеспечивает достижение поставленных целей компании [4].
Важный шаг в управлении производством, а именно, в
непосредственном его планировании, основан на пошаговой разработке
производственных планов.
Производственные планы определяют, что будет производиться и где,
какого типа, кем и как. Любой план, в том числе и производственный, для
детальной проработки должен основываться на определенных принципах:
− непрерывности;
− необходимости;
− единства;
− экономичности;
− гибкости;
− точности;
− участия;
− нацеленности на конечный результат [5].
В систему планирования производства включены четыре основных
звена:
− стратегический план;
− тактический план;
− производственная программа;
− календарный план [4].
Перечисленные выше планы всегда связаны между собой и не
противоречат друг другу.
При этом основной проблемой планирования является вопрос
распределения операций между всеми имеющимся ресурсами с учетом всех
возможных ограничений. Для решения проблемы прибегают к процессу
оптимизации плана производства.
Оптимизация плана производства – это нахождение наилучшего
варианта производственной программы из всех возможных при эффективном
использовании производственных мощностей и ресурсов [6].
Первым историческим упоминанием оптимизационной задачи
считается поэма «Энеида», написанная Публием Вергилием Мароном (I в до
н.э.). В поэме описывается, как королева Дидо сбегая на северное побережье
Африки, борется с ухищрениями местного правителя [3].
После разработки производственного плана, все полученные решения,
с точки зрения процесса оптимизации, можно разделить на:
− решения, оптимальные по всем критериям;
− решения, оптимизированные по одному или нескольким
критериям;
− решения, удовлетворяющие всем ограничениям.
В результате процесс формирования оптимального производственного
плана сводится к последовательному решению двух подзадач: поиск
допустимых планов и затем выделение лучшего производственного плана из
всех допустимых [3].
2 Требования к разработке
Состав и содержание требований разработаны на основании ГОСТ
19.201-78.
В результате был разработан модуль планирования нефтедобычи. Для
этого при выполнении выпускной квалификационной работы был рассмотрен
технологический процесс нефтедобычи, исходя из которого определен
требуемый объем автоматизации и разработана функциональная схема
автоматизации.
Выбраны средства для реализации модуля, а именно язык
программирования, необходимые библиотеки, механизмы обмена данными и
хранения данных. Помимо выбора средств, сделан обзор достоинств и
недостатков каждого из выбранных компонентов. Также была разработана
схема информационных потоков, отражающая пути передачи данных между
компонентами системы.
Для тестирования разрабатываемого модуля была собрана и настроена
модель куста скважин, а также настроен OPC-сервер, сервер MySQL и ПК,
выполняющий роль сервера.
При помощи выбранных технологий и программного обеспечения
было разработано приложение для персональных компьютеров, работающих
под управлением ОС Windows. Программа представляет из себя WinForms
приложение, которое умеет подключаться к OPC-серверу и получать оттуда
данные, записывать их в БД, а также отображать их при помощи графиков.
Помимо функции диспетчеризации в программе реализован разработанный
алгоритм, который позволяет проводить оптимизацию энергопотребления
куста скважин.
Ключевой особенностью данной выпускной работы можно считать
использование технологии OPС, потому что она позволяет осуществлять
обмен данными между любым ПО, которое поддерживает её. Это значит, что
можно интегрировать разработанный модуль в разнородные системы.
Список публикаций
1. Моделирование синхронного двигателя с электромагнитной
редукцией скорости в ANSYS Maxwell [Электронный ресурс] / И. А. Кремлёв,
В. А. Гилев, М. В. Зеленин ; науч. рук. С. В. Леонов // Интеллектуальные
энергосистемы : труды III Международного молодёжного форума, 28 сентября
– 2 октября 2015 г., г. Томск : в 3 т. — Томск : Изд-во ТПУ, 2015. — Т. 2. — [С.
211-214]. — Свободный доступ из сети Интернет. Режим доступа:
http://earchive.tpu.ru/handle/11683/16302.
2. Моделирование синхронного двигателя с электромагнитной
редукцией скорости в ANSYS Maxwell [Электронный ресурс] / И. А. Кремлёв,
В. А. Гилев, М. В. Зеленин ; науч. рук. С. В. Леонов // Современные техника и
технологии : сборник трудов XXI международной научной конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 5-9 октября 2015 г. : в 2 т. —
Томск : Изд-во ТПУ, 2015. — Т. 2. — [С. 33-35]. — Свободный доступ из сети
Интернет. Режим доступа: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/22029.
3. Моделирование синхронного двигателя с электромагнитной
редукцией скорости в ANSYS Maxwell [Электронный ресурс] / И. А. Кремлёв,
В. А. Гилев, М. В. Зеленин ; науч. рук. С. В. Леонов // VI Школа-конференция
молодых атомщиков Сибири : сборник тезисов докладов, 14-16 октября 2015
г., г. Томск. — Томск : Изд-во СТИ НИЯУ МИФИ, 2015. — [С. 119]. —
Свободный доступ из сети Интернет. Режим доступа:
http://earchive.tpu.ru/handle/11683/22362.
4. Алгоритм моделирования синхронного двигателя с
электромагнитной редукцией скорости в ANSYS Maxwell [Электронный
ресурс] / И. А. Кремлёв, В. А. Гилев, М. В. Зеленин ; науч. рук. С. В. Леонов //
Молодежь и современные информационные технологии : сборник трудов XIII
Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых, г. Томск, 9-13 ноября 2015 г. : в 2 т. — Томск : Изд-во ТПУ,
2016. — Т. 1. — [С. 239-240]. — Свободный доступ из сети Интернет. Режим
доступа: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/17151.
5. Разработка программного обеспечения для моделирования
электромеханических и мехатронных систем [Электронный ресурс] / И. А.
Кремлев, С. В. Леонов, В. А. Гилев // Молодежь и современные
информационные технологии : сборник трудов XV Международной научно-
практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 04-07
декабря 2017 г., г. Томск. — Томск : Изд-во ТПУ, 2017. — [С. 152-153]. —
Свободный доступ из сети Интернет. Режим доступа:
http://earchive.tpu.ru/handle/11683/46573.
6. Разработка модуля управления техобслуживанием и ремонтом
[Электронный ресурс] / А. В. Чимров, В. А. Гилев, Е. И. Громаков // Молодежь
и современные информационные технологии : сборник трудов XVI
Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и
молодых учёных, 3-7 декабря 2018 г., г. Томск. — Томск : Изд-во ТПУ, 2018.
— [С. 251-252]. — Свободный доступ из сети Интернет. Режим доступа:
http://earchive.tpu.ru/handle/11683/52730.
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (9 отзывов)
4.3 (248 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
4.9 (5 отзывов)
4 (15 отзывов)
4.9 (522 отзыва)
5 (21 отзыв)
4.4 (93 отзыва)
4.6 (30 отзывов)
