В соответствии с анализом структурных схем систем диагностики сделан вывод о необходимости разработки новой концепции построения систем диагностики погружного электрооборудования. В рамках данной концепции должно быть исключено противоречие между возможностью использования нескольких датчиков температуры и вибрации, закрепленных по всей длине оборудования и возможностью проводить испытания в вертикальной скважине.
Конфликтующими составляющими являются габариты датчиков, а также канал передачи данных с датчиков. В данной работе предлагается новая концепция синтеза системы диагностики, заключающаяся в разделении функций измерения и обработки данных между микропроцессорными средствами погружной и наземной частей, а также в расположении первичных преобразователей совместно с микропроцессорной системой нижнего уровня и каналом передачи данных на поверхности корпуса испытуемого оборудования.
Любой первичный преобразователь, который крепится на корпус оборудования, снабжен микроконтроллером и элементами для реализации канала связи.
Таким образом, структурная схема устройства для измерения параметров контроля (далее измерительный модуль или ИМ) в каждой точке имеет следующий состав (рисунок 3.9):
· датчик температуры (ДТ);
· датчик вибрации (ДВ);
· нормирующие преобразователи для датчиков (НП);
· мультиплексор (MUX);
· аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
· микропроцессор или микроконтроллер (МПЧ);
· элементы и узлы для обеспечения работы канала связи (ИУ);
· элементы питания (ИП).
Датчики вибрации и температуры измеряют соответствующие параметры, после чего, в зависимости от состояния управляющих выходов мультиплексора, сигналы подаются на АЦП и далее на микропроцессор или микроконтроллер. Микроконтроллер или микропроцессор (совместно с ОЗУ) выполняют функции начальной обработки и временного хранения результата измерения, а также преобразование полученной измерительной информации в формат, соответствующий требованиям канала связи. После этого сигналы посредством канала связи из микроконтроллера или микропроцессора последовательно передаются на верхний уровень системы диагностики.
Рисунок 3.9 - Структурная схема измерительного модуля
Данная интерпретация концепции порождает следующие вопросы:
· выбор канала связи между наземной и погружной частью системы;
· аппаратный состав наземной части системы диагностики;
· выбор первичных преобразователей и других элементов ИМ в соответствии с габаритными размерами зазора между оборудованием и скважиной;
· оптимизация структуры ИМ в целом.
Канал связи должен обеспечивать передачу данных вибрации, которая имеет высокий динамический диапазон и фиксируется с очень малыми промежутками времени, с целью сохранения возможности построения временного сигнала в наземной части системы диагностики и проведения различного рода анализов, поэтому канал связи должен иметь достаточно высокую скорость передачи.
Также необходимо, чтобы канал связи обеспечивал возможность подключения большого количество ИМ к одной информационной шине, что является основным положением в предлагаемой концепции.
В связи с ограниченным пространством между оборудованием и НКТ в процессе эксплуатации необходимо, чтобы количество проводов (линий связи) для обеспечения корректной передачи данных было минимальным, следовательно, протокол передачи канала связи должен быть последовательным. Кроме того, аппаратная часть канала связи в ИМ должна быть реализована с минимальным количеством элементов, что также обусловлено ограниченным пространством.
Канал связи должен иметь простые процедуры управления, так как в микроконтроллере ИМ вычислительная мощность сильно ограничена. И наконец, канал связи должен обладать возможностью передачи данных на значительные расстояния без потери информации, так как все ИМ удалены от принимающей части как минимум на длину оборудования в скважине.
Таким образом, канал связи для сопряжения наземной и погружной частей системы должен соответствовать следующим требованиям:
· иметь последовательный протокол передачи данных;
· возможность подключения большого числа ИМ параллельно к одной информационной шине;
· высокая скорость передачи данных;
· простота управления передачей;
· возможность реализации канала с небольшими аппаратными затратами в погружной части системы диагностики;
· возможность передачи данных на большие расстояния.
Следующий вопрос, требующий решения, состоит в определении аппаратной составляющей наземной части системы диагностики. Выше была показана целесообразность использования компьютера (ПК или ноутбука) в качестве основы для обработки измерительной информации. Кроме того, необходимо обеспечить согласование информационных потоков с погружной части, формат которых определяется каналом связи, и стандартными портами обмена информации в компьютере (RS232, USB, LTP, и т.д.). Следовательно, в состав наземной части системы диагностики необходимо включить устройство преобразования форматов данных (УПФ). Структурная схема наземной части системы диагностики изображена на рисунке 3.10.
В настоящее время стенды диагностики снабжены современными пьезоэлектрическими датчиками вибрации. Данный тип датчиков имеет недопустимо большие, для поставленной задачи, габаритные размеры, что делает невозможным их применение в данном случае синтеза системы диагностики. Следовательно, при выборе первичных преобразователей, необходимо удовлетворить следующим условиям:
· миниатюрные габаритные размеры;
· удобный для обработки выходной сигнал с датчика;
· достаточная точность измерения.
Рисунок 3.10 - Структурная схема наземной части системы диагностики
Под оптимизацией структуры системы диагностики понимается выбор необходимых аппаратных средств наземной и погружной части системы диагностики с целью обеспечения минимальных габаритов погружного ИМ. Данная задача может быть решена с помощью выбора компонентов (элементной базы), которые сочетают несколько элементов (составляющих) системы в одном. В данном случае имеется ввиду сочетание в одном электронном узле (например, в микросхеме) нескольких функций (например, микроконтроллер со встроенным АЦП).
Таким образом, определена базовая структурная схема системы диагностики погружного электрооборудования на основе распределенных средств измерения для испытаний в скважине. Кроме того, сформированы требования к основным функциональным блокам системы, удовлетворение которых в частном случае реализации позволит обеспечить ее полное функционирование в соответствии с поставленной задачей.
3.4. Измерительно-вычислительный комплекс системы диагностики погружного электрооборудования
Выше были рассмотрены вопросы синтеза структурных схем системы диагностики погружного электрооборудования на основе распределенных средств измерения. Требования к методике синтеза были получены в результате детального анализа предметной области с помощью IDEF0-технологии.
Задачей системы является повышение качества работ по техническому обслуживанию погружного электрооборудования за счет повышения достоверности результатов испытаний.
Поставленная задача решается посредством системы диагностики погружного электрооборудования (и в частности погружного электродвигателя), в составе рабочей компоновки скважинной УЭЦН в вертикальной скважине при проведении испытаний, содержащаяв своей скважинной части ИМ, объединенные информационной шиной, которая подключена к каналу связи, выход которого через первый интерфейсный блок подключен к первому входу/выходу устройства управления, а второй вход/выход которого связан с пультом оператора, а третий вход/выход через второй интерфейсный блок связан с внешними устройствами или системами, причем каждый ИМ содержит датчики вибрации и датчики температуры, подключенные к АЦП, выход которого соединен с контроллером, который соединен с информационной шиной через интерфейсный узел.
В системе количество ИМ и количество датчиков в ИМ, может быть различно, в зависимости от конструкции испытуемого оборудования. Также, канал связи может быть проводным или беспроводным, в зависимости от условий применения.
Предложенная система диагностики позволяет осуществить контроль и измерение параметров вибрационных и температурных полей непосредственно в процессе работы погружного электрооборудования составе рабочей компоновки УЭЦН в режиме реального времени в автоматизированном режиме. Эффективность предложенного решения обусловлена: простотой его реализации, вертикальным расположением компоновки в процессе испытаний, что позволяет учитывать взаимное влияния агрегатов и их взаимодействие с эксплуатационной колонной, работой в режиме реальных условий. При наличии дефектов имеется возможность точной идентификации неисправного узла электрооборудования благодаря наличию большого числа ИМ, закрепленных по всей его длине.
ИМ, закрепленные на поверхности корпуса оборудования в наиболее информативных местах (подшипники и места технологического соединения), позволяют осуществлять мониторинг параметров вибрации и температуры. Наличие устройства управления позволяет осуществить преобразование временного сигнала вибрации в частотный спектр (на основе быстрого преобразования Фурье) или в частотно-временное представление (в результате вейвлет-преобразования). Анализ указанных представлений, на предмет схожести с определенным набором диагностических признаков (наличие или отсутствие определенных составляющих вейвлет-преобразования, а также по соотношению их амплитуд) для каждого дефекта, служит основой для формирования заключения о ТС каждого узла электрооборудования. Измеренная температура позволяет предотвратить перегрев оборудования, кроме того по измерениям температуры в разных точках можно выявить ее локальные максимумы, которые косвенно служат показателем потенциального места неисправности.
Иллюстрацией к заявляемой системе являются чертежи, где на рисунке 3.11 представлена структурная схема системы диагностики, а на рисунке 3.12 – структурная схема ИМ.
Система диагностики (рисунок 3.11) содержит ИМ 1 и 2 (в общем случае их может быть несколько), информационную шину 3, канал связи 4, первый интерфейсный блок 5, устройство управления 6, пульт оператора 7 и второй интерфейсный блок 8. ИМ 1 и 2, относящиеся к скважинной части системы, закреплены на поверхности оборудования. Они объединены информационной шиной 3, которая подключена к скважинной части аппаратуры канала связи 4. Наземная часть системы имеет устройство управления 6, соединенное через первый интерфейсный блок 5 с каналом связи 4 и через второй интерфейсный блок 8 с внешними устройствами (системами) 9. Пульт оператора 7 обеспечивает человеко-машинный интерфейс при работе и тестировании системы.
Система работает следующим образом. Перед спуском компоновки нефтедобывающей установки в скважину ИМ 1 и 2, объединенные информационной шиной 3, и скважинная часть аппаратуры канала связи 4 крепятся непосредственно на поверхность испытуемого оборудования. Каждый ИМ содержит определенную совокупность пространственно распределенных (в характерных точках) на корпусе оборудования датчиков вибрации и температуры 13-16. Информационная шина 3 выполнена в защищенном от механических и электромагнитных воздействий исполнении. Инициирование работы системы осуществляет устройство управления 6 передачей соответствующей команды через первый интерфейсный блок 5 и канал связи 4. ИМ 1 и 2 осуществляют опрос всех датчиков, принимают, предварительно обрабатывают, и хранят измерительную информацию в своем ОЗУ. По завершению измерительного цикла устройство управления 6 считывает информацию, хранящуюся в ИМ 1 и 2, проводит необходимые вычисления, отображает результат на дисплее пульта оператора 7 и хранит массив результатов. Устройство управления 6 может быть реализовано на базе программируемой логики, включающее в себя центральное процессорное устройство, ОЗУ и устройства ввода/вывода [50]. При необходимости, посредством второго интерфейсного блока 8 осуществляется связь с внешними устройствами или системами 9.
Рисунок 3.11 – Структурная схема системы диагностики
ИМ (рисунок 3.12) содержит интерфейсный узел 10, контроллер 11, АЦП 12, первый и второй датчики виброускорений 13, 14, первый и второй датчики температуры 15, 16 (в общем случае датчиков может быть несколько). Датчики виброускорений 13, 14 формируют аналоговые сигналы, которые кодируются многоканальным АЦП 12. Контроллер 11 обеспечивает управление всеми узлами ИМ, осуществляет прием, предварительную обработку и хранение измерительной информации. Контроллер 11 взаимодействует с наземной частью посредством интерфейсного узла 10, информационной шины 3 и канала связи 4.
Рисунок 3.12 - Структурная схема измерительного модуля
Реализация контроллеров, их объединение, интерфейсы и другие схемотехнические вопросы известны из многих источников, например [].
Канал связи 4 может быть выполнен по проводной и беспроводной схеме. В том случае, если наземное оборудование расположено близко к скважине и конструкция стенда позволяет беспрепятственную прокладку кабеля – возможно применение проводного канала связи, как наиболее простого и надежного. В других случаях – канал может быть реализован по беспроводной схеме, например с использованием радиоканала [92]. Причем, при проводном канале питание скважинной части – дистанционное с использованием проводов, при беспроводном – от автономного источника электропитания.
Реализация наземных программно-технических сред также известна. Эти средства выполнены с использованием программируемой логики, например на базе ПК.
По проведенным испытаниям проводится разбор оборудования и проверяется состояние всех узлов. В случае недопустимого износа, узел подлежит замене.
Таким образом, предложенная система позволяет повысить качество работ по техническому обслуживанию за счет повышения достоверности результатов испытаний.
3.5. Результаты и выводы по третьей главе
1. Показан один из возможных подходов к формализации процессов диагностики ТС погружного электрооборудования на основе IDEF0-технологии.
2. Разработан комплекс функциональных моделей процесса диагностики ТС погружного электрооборудования на основе IDEF0-технологии. Это дало возможность выделить основные задачи диагностики, определить необходимые механизмы, входные и выходные данные процесса диагностики.
3. Произведен анализ возможных структурных реализаций системы диагностики, определены недостатки стандартной схемы системы диагностики. Сделан вывод о необходимости разработки новой концепции построения системы диагностики.
4. Предложена новая концепция построения системы диагностики погружного электрооборудования на основе распределенных средств измерения. Данная концепция дает возможность контролировать параметры по всей длине оборудования. Предложены основные структурные схемы системы диагностики для реализации данной концепции.
5. Сформулированы основные требования для реализации предложенной концепции. Приведены требования к каналу связи, аппаратной части системы диагностики и к первичным преобразователям ИМ.
6. Описан измерительно-вычислительный комплекс для проведения диагностики погружного электрооборудования.